Crit Training Seguridad y Control de Calderas Migasa

OPERADORES INDUSTRIALES DE CALDERAS

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OPERADORES INDUSTRIALES DE

CALDERAS

Documentación

SEGURIDAD Y CONTROL DE CALDERAS.


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INDICE

1. Conceptos Generales.

1.1 Introducción al control de Calderas.

1.2 Tipos de Calderas.

1.3 Control de Calderas Industriales.

1.3.1 Sistema agua-vapor.

1.3.2 Sistema aire-gases.

1.3.3 Sistema combustibles.

1.3.4 Sistemas auxiliares.

1.4 Calderas de recuperación de calor.





2. Sistemas de Seguridades.

2.1 Introducción.

2.2 Diseño de los Sistemas de Seguridades. Consideraciones Generales.

2.3 Sistema de Control versus Sistema de Seguridad.

2.4 Selección de la TECNOLOGIA.

2.5 Dispositivos de campo.

2.6 Hardware del Sistema.

2.7 Software del Sistema.

2.8 Mantenimiento del Sistema.

2.9 Requerimientos de diseño de la NFPA.

2.10 Conclusiones prácticas.

2.11 Detectores de llama.

2.12 Terminología de seguridad.


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3. BMS para calderas industriales (Sistemas de Gestión de

Quemadores).

3.1 Requisitos de diseño.

3.2 Requisitos funcionales.

3.3 Barrido de caldera.

3.3.1 Permisivos.

3.3.2 Secuencia automática.

3.3.3 Rearme.

3.4 Disparos de caldera.

3.4.1 General.

3.4.2 Disparos.

3.5 Ignitor.

3.5.1 General.

3.5.2 Permisivos de encendido.

3.5.3 Secuencia automática de encendido.

3.5.4 Apagado del ignitor.

3.6 Quemador de gas.



3.6.3 Apagado del quemador.

3.7 Quemador de fuel oil.




3.7.4 Purga del combustible líquido.

4. BPS-BMS para calderas de recuperación de calor.

4.1 Calderas sin bypass y sin postcombustión.

4.1.1 Relé MFT Al no haber quemador no existirá el relé MFT.

4.1.2 Purga previa al encendido de la turbina.


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4.1.3 Disparos de caldera/turbina.

4.1.4 Señales intercambiadas entre turbina y caldera.

4.2 Calderas con bypass y sin postcombustión.

4.2.1 Relé MFT.


4.2.3 Permisos de apertura de divertir.

4.2.4 Condiciones de cierre del diverter/rearme de caldera.

4.2.5 Purga de caldera.

4.2.6 Disparos de turbina.

4.2.7 Limitación de carga de turbina.

4.3 Calderas sin bypass y con postcombustión.

4.3.1 Relé MFT.


4.3.3 Purga de quemador.

4.3.4 Rearme del relé MFT.

4.3.5 Disparos del relé MFT.




4.4 Calderas con bypass y con postcombustión.

4.4.1 Relé MFT.



4.4.4 Condiciones de sierre del diverter/rearme de caldera.





4.4.9 Limitación de carga de la turbina.



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5.1 Control de Calderas .

5.1. Introducción .

5.2 Controles auxiliares de una caldera.

5.2.1 Control de presión del fuel oil.

5.2.2 Control de temperatura del fuel oil.

5.2.3 Control de presión del vapor de atomización.

5.2.4 Control de presión del desgasificador.

5.2.6 Control de la purga continua.

5.2.7 Control del nivel del tanque de purga continua.

5.3 Control de la demanda de una caldera.

5.4 Control del tiro en una caldera.

5.5 Control de combustión en calderas de recuperación.


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1.1 Conceptos Generales.

1.1 Introducción al control de Calderas.

El control de una caldera es un tema extenso que incluye tanto los procedimientos

de arranque y parada como los enclavamientos de seguridad y la operación en

continuo de la caldera. Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera,

las acciones de modulación de la misma se desarrollaban con equipos analógicos

(continuos). Las secuencias de arranque y parada, así como los enclavamientos,

son acciones digitales (todo/nada) que implicaban equipos digitales.

Actualmente, debido a los avances en los sistemas basados en microprocesador es

posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo

algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad

de la caldera.

Para poder desarrollar una aplicación de control adecuadamente es necesario

entender correctamente los objetivos del sistema de control. En el caso de las

calderas de vapor existen tres objetivos básicos:

• Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las

condiciones de presión y temperatura deseadas.

• Operar continuamente la caldera al menor coste de combustibles

manteniendo un alto nivel de seguridad.

• Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y

tomar las acciones necesarias para una operación segura en todo momento.

Los dos primeros objetivos serán realizados por lo que tradicionalmente se conoce

como sistema de control analógico, mientras que el tercero será labor del sistema

de seguridades y manejo de quemadores.


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Un diagrama básico de una caldera podría representarse como se muestra en la

Figura 1-1.

En esta figura se pueden diferenciar dos sistemas distintos. El primero sería el

sistema agua-vapor. En él, el agua que se introduce en la caldera es convertida en

vapor, que sale de la caldera al recibir el calor necesario mediante la transferencia

de calor a través del metal de los tubos. El segundo sistema es de combustible-

aire-gases que es el que proporcionará el calor que se transmite al agua.

En este sistema, el aire y el combustible se mezclan y queman en el hogar. El

hogar suele estar formado por paredes de tubos de agua que reciben el calor

radiante de la llama y es por tanto donde se produce la máxima transferencia de

calor.

Los gases de combustión, como resultante de esta pérdida de calor, se enfrían y

abandonan el hogar pasando a la zona de recuperación de calor formada por tubos

de vapor en donde la llama ya no se ve y el calor se transmite por convección.

Como la transmisión de calor depende, entre otras cosas, de que exista una

diferencia de temperatura, la temperatura de salida de los gases será siempre

algo superior a la temperatura menor del circuito agua-vapor.

Figura 1-1. Diagrama básico de una caldera


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Esta pérdida de calor disminuye el rendimiento del ciclo. Al objeto de elevar dicho

rendimiento, los gases de combustión suelen pasarse por algún tipo

de intercambiador de calor. Un primer ejemplo sería la instalación de

un economizador (Figura 1-2), que consiste en un conjunto de tubos de

agua expuestos a los gases tras la zona de recuperación de calor, con el propósito

de calentar el agua de alimentación y aprovechar al máximo el calor de los gases

de la combustión antes de abandonar la caldera.

Figura 1-2. Caldera con economizador

Una segunda posibilidad sería aprovecharlos para elevar la temperatura del aire

de entrada en lo que se conoce como precalentador de aire (Figura 1-3). En este

caso se debe considerar que dichos gases pueden tener limitada su mínima

temperatura si en su composición está presente el azufre. En aquellas

instalaciones en las que es posible la instalación de ambos equipos lo normal

sería pasar primero los gases por el economizador y después por el precalentador.


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Figura 1-3. Caldera con precalentador de aire

1.2 Tipos de Calderas.

Aunque se pueden hacer muchas clasificaciones de calderas de acuerdo con

diferentes criterios, se puede decir que hay dos tipos generales de calderas: las

pirotubulares (tubos de humo) y las acuotubulares (tubos de agua) y dentro de

éstas últimas se diferenciará entre calderas con calderín agua-vapor y calderas de

paso único. Adicionalmente, las calderas se pueden clasificar en alta y baja

presión, de vapor saturado o sobrecalentado.

El vapor saturado es aquél al que no se le ha calentado por encima de la

temperatura de saturación. Se le denominará seco si ha sido totalmente

evaporado, o húmedo con un % de humedad si no lo ha sido. El vapor

sobrecalentado será aquél que, por el contrario, sí ha sido calentado después de

su completa evaporación, modificando su temperatura para la misma presión. Al

estar sobrecalentado puede entregar o perder parte de su energía sin condensar,

con los beneficios que esto conlleva para su transporte o uso en turbinas.

Se entenderá por calderas de alta presión aquellas que operan a una presión

superior a 1 bar. Una ventaja de usar calderas de alta presión es la reducción del

tamaño de la caldera y de las tuberías de vapor para la misma capacidad de

transporte de calor, debido al aumento de la densidad del vapor con la presión.


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Esto puede ser particularmente importante si los consumidores del vapor están

a alguna distancia de la caldera. Además la energía disponible en el vapor

aumenta con la presión, algo esencial cuando el vapor se usa en una turbina.

Otra clasificación habitual de las calderas sería por el tipo de tiro. El aire necesario

para la combustión se aporta normalmente a las calderas mediante ventiladores.

Según estos ventiladores actúen sobre el suministro de aire, diremos que las

calderas son de tiro forzado, inducido o equilibrado. Las primeras son aquellas en

las que el ventilador, situado en la entrada, introduce el aire en la caldera, y por

tanto son de hogar presurizado. Las segundas son las que teniendo el ventilador

en la salida aspiran los gases de la combustión y los envían a la chimenea, siendo

por tanto de hogar en depresión. Cuando coexisten ambos ventiladores la caldera

se denomina de tiro equilibrado, haciéndose que el hogar trabaje un poco en

depresión para evitar escapes de gases.

Volviendo a la clasificación general, las calderas pirotubulares son aquellas en las

que los gases de la combustión circulan a través de tubos que están rodeados por

agua. Muchas de las calderas pequeñas y medianas de la industria son de este

tipo. Los gases de la combustión se enfrían a medida que circulan por los tubos,

transfiriendo su calor al agua. La transferencia de calor es función de la

conductividad del tubo, de la diferencia de temperatura entre el agua y los gases,

de la superficie de transferencia, del tiempo de contacto, etc.. Un ejemplo típico de

este tipo de calderas sería la Figura 1-4 en la que se aprecia un pequeño hogar

sobre el recipiente con el agua, que a su vez es traspasado longitudinalmente por

los tubos de los gases de la combustión. Las calderas pirotubulares pueden

diseñarse con diferentes pasos de los tubos de humos por el recipiente con agua.

El hogar se considera el primer paso y cada conjunto de tubos en el mismo sentido

un paso adicional (Figura 1-5). Las calderas pirotubulares suelen trabajar hasta

unos 20 bares para unas producciones máximas de unas 20 Tm/hr.


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Figura 1-4. Caldera pirotubular

Figura 1-5. Pasos de caldera

Las calderas acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior

de los tubos. Estos tubos están, generalmente conectados a dos calderines (Figura

1-6). El calderín superior de vapor, en el cual se produce la separación del vapor

existente en el agua en circulación, y el inferior de agua, también conocido como

calderín de lodos al depositarse éstos en él.


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Figura 1-6. Caldera paquete acuotubular

En algunos casos este calderín inferior es sustituido por colectores, como es el

caso de la caldera de recuperación de la Figura 1-7.

Figura 1-7. Caldera acuotubular de recuperación

Los tubos que unen ambos calderines se distribuyen de forma que una parte de

ellos queda en el lado caliente de la caldera - zona de la caldera que está en

contacto con los gases de la combustión - y otra en el lado frío (Figura 1-8).


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El agua de los tubos del lado caliente es parcialmente evaporada de forma que

dicho vapor asciende hacia el calderín superior debido a la menor densidad de

éste con respecto al agua. El agua de la parte fría circula del calderín superior al

inferior debido a la mayor densidad del agua en esta zona, de forma que se

produce una circulación natural de la masa de agua. Este tipo calderas suelen

operar hasta presiones de 100 bares en el caso de las calderas industriales y de

200 en el caso de calderas para centrales térmicas, con unas producciones de 500

Tm/hr y 4000 Tm/hr respectivamente.

Figura 1-8. Circulación en una caldera acuotubular

Para presiones superiores a las indicadas, a partir de las cuales la circulación

desciende rápidamente debido a que las densidades del agua y el vapor son

similares, se utilizan calderas acuotubulares de paso único. En éstas calderas, la

circulación es forzada por un sistema de bombeo que introduce el agua por un

extremo y, tras ser calentada, sale en forma de vapor por el otro. Son capaces de

trabajar hasta 350 bares de presión. Estas calderas son propias de centrales

térmicas por lo que no nos detendremos en más particularidades sobre ellas.


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1.3 Control de Calderas Industriales.

Hemos visto en el esquema básico de una caldera que existen dos sistemas

principales, el de agua-vapor y el de combustible-aire-gases.

Este segundo sistema, por motivos de claridad en la exposición, lo dividiremos a

su vez en el sistema de combustibles y en el de aire-gases. Los sistemas que a

continuación detallamos están desarrollados principalmente desde el punto de

vista del control, por lo que aunque no sólo se representa aquella instrumentación

necesaria para el correcto funcionamiento de aquél en su operación continua o de

seguridades, la instrumentación local, valvulería manual, filtros, drenajes, etc.,

que se incluye puede no ser completa.


En la Figura 1-9 podemos observar el circuito agua-vapor de una caldera

acuotubular con calderín. En él se han diferenciado los instrumentos propios del

sistema de control continuo de los de seguridades marcando mediante una

circunferencia aquéllos y un rombo éstos, inscritos en un cuadro.

En este circuito podemos observar como el agua de alimentación, a las

condiciones de presión y temperatura adecuadas, procedente del sistema de

bombeo es suministrada al calderín a través de un economizador en el cual se

incrementa su temperatura. El vapor saturado generado se separa en el calderín y

al salir de él es enviado a un sobrecalentador primario en donde se eleva

parcialmente su temperatura. Este vapor ya sobrecalentado es atemperado antes

de enviarlo a un sobrecalentador final tras el cual es suministrado a los

consumidores existentes.

Se muestra también el circuito de vapor a los sopladores. Este vapor se tomará

dependiendo de la instalación de diferentes sitios.


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Las variables que hay que vigilar en este circuito desde el punto de vista de las

seguridades de la caldera serán las siguientes:

a) Al ser una caldera de nivel de agua definido debe existir protección al menos

por bajo nivel, a fin de impedir que los tubos de caldera sufran daños debido a la

falta de refrigeración. En algunos casos, dependiendo de la caldera o del uso del

vapor, existe protección por alto nivel para evitar que el agua pueda pasar al

sobrecalentador o contaminar el vapor hacia posibles turbinas. Para la medida del

nivel se representan transmisores de presión diferencial (LT), cuya lectura debe

ser corregida por la presión del calderín al influir ésta en la densidad del agua, y

por lo tanto en una medición de este tipo.


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Figura 1-9. Circuito agua-vapor (Click en la Imagen para agrandar)

b) La caldera es un aparato a presión, por lo que está sujeta al reglamento de

aparatos a presión (RAP) vigente en España. El RAP exige el corte de la aportación

calorífica cuando la presión del calderín excede un valor establecido. Dicho valor

debe estar por debajo del valor fijado para el disparo de la primera válvula de

seguridad del calderín. Estas mediciones se representan mediante transmisores

de presión (PT).


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Las variables a controlar para mantener una producción de vapor continua en las

condiciones deseadas serán las siguientes:

a) Al ser una caldera de nivel de agua definido, éste debe mantenerse en su nivel

normal de operación para conseguir un funcionamiento adecuado de la caldera.

Para conseguir este objetivo se medirán: el nivel (LT), la presión (PT) para la

corrección de aquél si fuese necesario, el caudal de agua de alimentación (FT) y el

caudal de vapor (FT). Estas medidas de caudal deben ser corregidas, por

temperatura y por presión y temperatura respectivamente si su medición está

basada en la presión diferencial y existen importantes variaciones en estas

variables. La cantidad de agua aportada en cada momento se manipulará

mediante una válvula de control (LV).

b) El vapor que se produce debe mantenerse en unas condiciones óptimas de

presión y temperatura, por lo cual se tomarán medidas de la presión final del

vapor sobrecalentado (PT) y de su temperatura (TT). La presión se mantendrá en el

valor deseado mediante la aportación del combustible necesario. Para mantener la

temperatura de vapor adecuada se usará una válvula de control (TV) que añadirá

el agua de atemperación requerida. Dicha válvula se instalará entre las dos etapas

de sobrecalentamiento. Finalmente, por motivos de control que se verán más

adelante se medirá la temperatura (TT) del vapor a la salida de la primera etapa de

sobrecalentamiento.

c) El circuito de vapor para el sistema de sopladores incluye una válvula de corte

que permite el paso o no del vapor, de una válvula de drenaje que se usa para

evacuar el condensado así como para realizar el calentamiento de la línea, y de

una medida de presión (PT) y otra de temperatura (TT) que se utilizan como

seguridades de este sistema.


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Un típico circuito aire-gases de una caldera de tiro forzado lo podemos ver en la

Figura 1-10. Se han diferenciado los instrumentos propios del sistema de control

continuo de los de seguridades de igual forma a como se hizo en el caso anterior.

En este circuito podemos observar como el aire es impulsado por el ventilador de

tiro forzado que tras pasar por la caja de aire y los registros de los quemadores, en

donde se produce la turbulencia necesaria para una combustión correcta,

se introduce en el hogar. Una vez en él y tras producirse la combustión, los gases

abandonan el hogar para pasar por el economizador y entregar parte de su calor

antes de alcanzar la chimenea.


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Figura 1-10. Circuito aire gases (Click en la Imagen para agrandar)

Las variables que hay que vigilar en este circuito desde el punto de vista de las

seguridades de la caldera serán las siguientes:

a) Una de las variables más importantes con relación a la seguridad es el caudal

de aire de combustión que se está suministrando al hogar. Para asegurarnos que

este suministro es continuo y mayor que un mínimo, se supervisará que el

ventilador de tiro forzado está en servicio (señal que se obtendrá desde el

contactor del ventilador) y que el caudal de aire de combustión no es bajo (FT).


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Adicionalmente, se obtendrá de ésta medida el caudal mínimo necesario para

realizar una purga de la unidad correcta antes de su encendido. Esta medida debe

corregirse cuando existan grandes variaciones de la temperatura del aire si está

basada en presión diferencial.

b) Al estar el hogar diseñado para soportar una presión determinada, se debe

proteger éste por alta presión (PT) para evitar posible deformaciones de la

envolvente. Si la caldera fuera de tiro inducido la protección debiera ser por

depresión y si fuese de tiro equilibrado por ambas causas.

c) Al existir una compuerta o álabes de entrada al ventilador para su modulación,

se debe disponer de las posiciones de cerrado, para su arranque y de abierto para

la supervisión de su correcto posicionamiento tras establecerse el máximo tiro

natural en caso de pérdida del ventilador. Si existiesen más compuertas en el

circuito, o en el caso de registros de aire, será necesaria al menos la indicación de

abierta de cada una de ellas para la determinación del tiro natural.

Las variables a controlar para mantener un caudal de aire adecuado que garantice

una correcta combustión en las mejores condiciones de eficiencia y seguridad

serán las siguientes:

a) Al ser una caldera capaz de operar a distintas cargas entre un mínimo y un

máximo, el caudal de aire de combustión deber ser ajustado a la cantidad

adecuada para la cantidad de combustible que se está suministrando. Para ello se

necesitará la medida de caudal de aire (FT) y un actuador sobre los álabes de

entrada del ventilador al objeto de poder modificar su apertura y por tanto la

aportación de caudal. Si las condiciones de temperatura del aire pueden variar

sensiblemente es aconsejable la medición de la temperatura (TT) de éste para la

corrección de la medida de caudal de aire si la medida de éste se obtiene mediante

una lectura de presión diferencial.


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b) A fin de que la combustión sea lo más eficaz posible, manteniendo el exceso de

aire lo más bajo posible, se medirá el exceso de oxígeno existente en los gases.

c) Dependiendo del tipo de quemadores que se usen, los registros de aire de éstos

pueden o no tener que ser modulados, de acuerdo con la carga, para generar las

turbulencias necesarias para una buena combustión. En este caso se necesitará un

actuador que modifique su posición.


En la Figura 1-11 se ha representado el circuito de combustibles de una caldera de

cuatro quemadores mixtos para fuel oil y gas natural. Los ignitores se han

supuesto de gas natural también. Se han diferenciado los instrumentos propios

del sistema de control continuo de los de seguridades como en los casos

anteriores.

Los circuitos que se muestran están basados en el estándar NFPA 8502 para

calderas de múltiples quemadores.

En este circuito podemos observar la distribución de los combustibles para los

cuatro quemadores existentes. La línea de gas, al usarse como combustible de los

quemadores principales y del ignitor, se ramifica en dos líneas, una para cada

propósito. Cada una de estas líneas a su vez se ramifica en cuatro, yendo cada

rama a cada uno de los quemadores y terminando en un venteo que permite la

despresurización del colector. Las líneas de fuel oil y de vapor de atomización,

necesario para la correcta atomización de este combustible, igualmente se

ramifican en cuatro, una rama para cada quemador, existiendo una línea de

recirculación que permite el acondicionamiento del fuel oil a sus condiciones de

operación.


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Desde el punto de vista de la seguridad, en el circuito de combustibles no sólo se

deben tener en cuenta que las variables críticas de éstos se han de mantener

dentro de los límites necesarios, sino que además al ser necesaria la seguridad

del cese del aporte del combustible, será necesaria la instalación de una serie de

válvulas que aseguren dicho cese en los momentos requeridos, bien

individualmente por quemador, bien globalmente por combustible. Por ello

deberán existir las siguientes válvulas de corte:

a) Ignitores. Se instalará una válvula general de corte, con su correspondiente

válvula de venteo en el colector, y dos válvulas de corte en serie, con su venteo

intermedio, para cada uno de los ignitores.

b) Quemadores de gas. Se instalarán las mismas válvulas que en los ignitores,

existiendo además, en paralelo con la válvula de corte principal una pequeña

válvula de carga del colector al objeto de poder realizar el test de fugas de éste.

Todas las válvulas de este sistema han de tener al menos indicación de posición

cerrada. En el caso de los venteos esta indicación se suele sustituir por la de

abierta.

c) Quemadores de fuel oil. Se instalará una válvula de corte general así como

una válvula de retorno o recirculación para permitir alcanzar al combustible sus

condiciones adecuadas de operación. En paralelo con la válvula general de corte

se instalará una pequeña válvula de circulación al objeto de permitir efectuar el

test de fugas, así como circular el combustible para su adecuación.


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Figura 1-11. Circuito combustibles (Click en la Imagen para agrandar)

Adicionalmente, existirá una válvula de corte individual por cada quemador. Todas

las válvulas de este circuito han de tener indicación de cerradas. Además, al ser

habitualmente las lanzas de los quemadores de fuel oil desmontables en

operación para su correcto mantenimiento, se suelen instalar finales de carrera en

ellas que indiquen su posición de acopladas.


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Por otra parte, las variables que hay que vigilar en este circuito, desde el punto de

vista de las seguridades de la caldera serán las siguientes:

a) Presión de gas a ignitores (PT) no baja y no alta que asegure la correcta

combustión.

b) Presión de gas a quemadores (PT) no alta y no baja que asegure la correcta

combustión y el no sobrepasar la aportación máxima de este combustible.

c) Presión de fuel oil a quemadores (PT) no baja que asegure la correcta

combustión. Es aconsejable vigilar también la presión no alta para asegurar que

no se excede la máxima aportación.

Temperatura de fuel oil (TT) no baja que asegure que el combustible tiene el grado

de viscosidad adecuado para su correcta combustión. Es aconsejable también

vigilar la temperatura no alta que puede provocar gasificaciones del combustible.

e) Presión diferencial fuel oil- vapor (PT junto con PT de combustible) no baja que

asegure la correcta atomización del combustible.

f) Existencia de llama (BE) que asegure que el combustible que se introduce en el

hogar está siendo quemado.

Las variables a controlar para mantener un caudal de combustible adecuado, para

la carga de caldera existente en cada momento, serán las siguientes:

a) Gas natural. Para poder modular correctamente la aportación de gas natural de

acuerdo con la carga de caldera se necesitará la medida de caudal de gas (FT) y

una válvula de control (FV) al objeto de poder modificar la aportación de caudal.


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Si las condiciones de presión y temperatura del gas pueden variar sensiblemente,

es aconsejable la medición estas variables para la corrección de la medida de

caudal de gas si la medida de éste se obtiene de una lectura de presión

diferencial. También se suele instalar, en paralelo con la de control principal, una

válvula de control (PV) para asegurar la mínima presión a quemadores (PT),

especialmente durante las secuencias de encendido y apagado de éstos.

b) Fuel oil. Para poder modular correctamente la aportación de fuel oil de acuerdo

con la carga de caldera se necesitará, la medida de caudal de fuel oil (FT) y una

válvula de control (FV) al objeto de poder modificar la aportación de caudal. Si las

condiciones de temperatura del fuel oil pueden variar sensiblemente es

aconsejable la medición de estas variables para la corrección de la medida de

caudal por temperatura si ésta se obtiene de una lectura volumétrica. Al igual que

en el caso anterior, se suele instalar, en paralelo con la de control principal, una

válvula de control (PV) para asegurar la mínima presión a quemadores (PT),

especialmente durante las secuencias de encendido y apagado de éstos.

c) Vapor de atomización. Para poder atomizar correctamente a distintas cargas de

fuel oil hay que asegurar una presión diferencial vapor-fuel oil constante, para lo

cual se necesitará la medida de dicha presión diferencial (PDT) y una válvula de

control de vapor (PDV) que modifique el caudal de vapor de atomización para

mantener dicha presión diferencial.


En la Figura 1-12 se muestra un circuito típico de agua de alimentación. En él, el

agua/condensado se mezcla con vapor en el desgasificador para liberar al agua de

los gases disueltos que lleve. Esta agua ya desgasificada se envía a la caldera a

través de un sistema de bombeo.


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También se muestra en esta figura el circuito de purga de la caldera. El agua del

calderín se envía al tanque presurizado de purga continua, donde hace de sello

para poder enviarla al de purga intermitente, que es atmosférico.

Aunque ninguna de las variables de este circuito influye de forma directa en las

seguridades de la caldera, si cabe considerar la medida de nivel del

desgasificador (LT) para la seguridad de rebose por alto nivel y para la de

arranque de las bombas por bajo nivel.

Las variables a controlar para el correcto funcionamiento del desgasificador y el

tanque de purga continua serán:

a) Desgasificador. Para mantener un nivel adecuado de agua que garantice un

suministro continuo de agua a la caldera, es necesario la lectura de dicho nivel

(LT) y una válvula de control (LV) que nos permita modificar la aportación de

acuerdo con las necesidades. Por otra parte, para poder mantener la presión en el

valor de trabajo que asegure la desgasificación, se necesita una medida de

presión (PT) y una válvula de control (PV) que modifique la aportación de vapor.

b) Tanque de purga. Para mantener un nivel de agua estable que mantenga un

sello de agua, necesitaremos una medida del nivel (LT) del tanque y una válvula

de control que module el caudal de desagüe (LV).

En la Figura 1-13 se muestra un circuito de preparación de fuel oil. En él, el fuel oil

del tanque se bombea a través de unos calentadores, en donde incrementará su

temperatura hasta la de operación, al circuito de combustible de los quemadores.


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Figura 1-12. Circuito de agua de alimentación y purga (Click en la Imagen para

agrandar)


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Figura 1-13. Circuito de preparación fuel oil (Click en la Imagen para agrandar)

Las variables a controlar para el correcto funcionamiento de este circuito serán:

a) A fin de mantener la presión de suministro de fuel oil en su punto de

funcionamiento, se necesitará la medida de ésta a la salida del circuito (PT) y una

válvula de control (PV) en un retorno hacia el tanque que permita modificar este

caudal.

b) A fin de mantener la temperatura, se necesitará la medida de ésta (TT) y una

válvula de control (TV) que modifique el caudal de vapor a través de los

calentadores y por tanto la temperatura del fuel oil.


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1.4 Calderas de recuperación de calor.

Aunque el diseño de estas calderas difiere mucho del de las calderas industriales

vistas anteriormente, la verdad es que desde el punto de vista del control y la

seguridad la similitud en sus sistemas es bastante grande. Aunque existen

multitud de diseños de calderas de recuperación de calor, el texto se centrará en el

ejemplo escogido que intenta aglutinar la mayoría de posibilidades existentes en

este tipo de calderas.


En la Figura 1-14 se puede observar el circuito agua-vapor de una caldera

acuotubular con calderín. Los instrumentos propios del sistema de control

continuo de los de seguridades se han diferenciado como en los casos anteriores.

Como se ve, el circuito es igual al de las calderas industriales con la diferencia de

que suele ser habitual la existencia de varios niveles de presión. Estos niveles de

presión suelen tener la misma estructura, a excepción quizás de que en los niveles

de baja suele haber una única etapa de sobrecalentamiento. Como el combustible

habitualmente utilizado en estas calderas es gas natural, no suele haber una

extracción para el vapor a los sopladores de hollín al no existir éstos.

Las variables que hay que vigilar tanto desde el punto de vista de las seguridades

de la caldera como del de control serán las mismas que en el caso de las calderas

industriales.


Un típico circuito aire-gases de una caldera de recuperación lo podemos ver

también en la Figura 1-14.


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Figura 1-14. Circuito de agua-vapor y aire gases (Click para agrandar la imagen)

Para poder trabajar en modo gases turbina o en modo aire fresco se dispone de

unas compuertas de aislamiento, tanto en la salida de la turbina como en la del

ventilador, que trabajarán en oposición de acuerdo con el modo de operación.

Dichas compuertas deben tener indicación de sus posiciones límite de

abierta/cerrada de forma que se pueda confirmar su correcto posicionamiento en

los distintos modos.


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Para poder trabajar en el modo de gases de turbina, bien en modo simple, bien en

modo combinado, se instalará una chimenea de bypass con su correspondiente

diverter (se puede sustituir por dos compuertas, una al bypass y la otra a la

caldera) de forma que se pueda aislar la turbina de la caldera y trabajar aquélla en

modo simple hacia el bypass. Por motivos de seguridad en estos dos modos de

operación, este diverter deberá llevar igualmente indicación de posiciones límites

abierta/cerrada.

Además de dichas posiciones de acuerdo con el modo de operación, las variables

que hay que vigilar desde el punto de vista de las seguridades de la caldera serán

las siguientes:

a) Modo gases de turbina. En este modo, al estar asegurado el caudal de aire por

la operación de la turbina, se permitirá inferir el mínimo caudal de aire de la

operación de ésta.

b) Modo aire fresco. En este modo, las señales de ventilador funcionando y de

presión (PT) de descarga del ventilador no baja asegurarán la existencia de aire de

combustión.

c) En ambos modos se supervisará la presión (PT) de los gases de escape de la

turbina a fin de no someter a ésta a presiones en la descarga superiores a aquellas

para las que ha sido diseñada.

d) En el caso de que exista quemador/es deberá supervisarse la presión (PT) de

hogar a fin de que no supere los valores máximos establecidos.

e) De forma análoga a lo explicado para las calderas industriales, si existiese

cualquier elemento adicional a los comentados que pudiese ocasionar un cierre en

el tiro de los gases debería contar con indicación de, al menos, posición abierta.


32

En estas calderas el control de caudal de aire de combustión pierde sentido al ser

sólo posible en el modo de aire fresco y ser éste un modo alternativo no habitual

que sólo se usa ante la imposibilidad de trabajar en ciclo combinado.

Este circuito por la particularidad de usar, bien los gases de escape de la turbina

bien el aire suministrado por el ventilador de aire fresco como aire de combustión

de los quemadores, y por poder trabajar en ciclo simple o combinado, sí presenta

diferencias importantes con respecto al visto para el caso de las calderas

industriales.


En la Figura 1-15 se ha representado el circuito de combustibles de una caldera de

recuperación con dos quemadores de gas natural. Los ignitores se han supuesto

de gas natural también. Se han diferenciado los instrumentos propios del sistema

de control continuo de los de seguridades como en los casos anteriores.

En este circuito podemos observar la distribución de los combustibles para los dos

quemadores existentes. La línea de gas natural, al usarse como combustible de

los quemadores principales y del ignitor se ramifica en dos líneas una para cada

propósito. Cada una de estas líneas a su vez se ramifica en dos, yendo cada rama a

cada uno de los quemadores y acabando en un venteo.

Aún con el mismo propósito que comentamos para las calderas industriales, en el

circuito de combustibles de las calderas de recuperación existen algunas

pequeñas diferencias en la distribución de las válvulas de corte que deben existir.

Estas serán las siguientes:

a) Ignitores. Se instalarán dos válvulas generales de corte con sus

correspondientes válvulas de venteo, entre ellas y en el colector, y una válvula de

corte para cada uno de los ignitores.


33

b) Quemadores de gas. Se instalarán las mismas válvulas que en los ignitores.

Todas las válvulas de este sistema han de tener al menos indicación de posición

cerrada. En el caso de los venteos esta indicación se suele sustituir por la de

abierta.

Cuando la caldera dispone de aire fresco, se debe incluir doble válvula de corte

con su correspondiente venteo en cada ignitor y quemador.

Por otra parte las variables que hay que vigilar serán las mismas que en el caso de

las calderas industriales para estos combustibles.


Los sistemas auxiliares de este tipo de calderas no difieren de lo explicado para

las calderas industriales.


34

Figura 1-15. Circuito de combustibles


35

2. Sistemas de Seguridades.

2.1 Introducción.

¿Qué es un "Sistema de Seguridad"?.

Los Sistemas de Seguridades están diseñados para proteger a las personas,

equipos y entorno ante condiciones que puedan resultar peligrosas. En estos

casos deben actuar inmediatamente llevando la planta o el equipo a una posición

segura.

Con frecuencia el diseñador del Sistema de Seguridades cae en el error de no

considerar al Sistema como algo "global". Se fija demasiado en una parte, por

ejemplo el tipo de hardware a utilizar, y descuida otras partes creando

lamentables cuellos de botella y puntos débiles.

Figura 2-1. Objetivos del Sistema de Seguridad

El Comité Técnico de la IEC examinó 34 accidentes que fueron el resultado directo

de fallos en los sistemas de control y seguridades en diferentes industrias.


36

El resultado es muy ilustrativo y se refleja en la Figura 2-2.

Figura 2-2. Causas de fallos

Es decir, casi la mitad de los errores fueron debidos a especificaciones incorrectas.

Como consecuencia de este estudio el Comité estableció unos requerimientos

generales y estrategias para conseguir la seguridad funcional de los Sistemas de

Seguridades.

Figura 2-3. Estrategias para la seguridad funcional


37

Capacidad de las personas: formación adecuada, buenos conocimientos y

experiencia.

Gestión de Seguridad: la política de seguridad debe fijarse en un plan de

seguridad que debe realizarse para cada proyecto.

Requerimientos técnicos: evaluación de riesgos, nivel de seguridad requerido

(SIL), requerimientos del hardware y del software, documentación.

Estos requerimientos deben tenerse en cuenta en cada una de las 16 fases del

llamado "Ciclo Global de Vida de Seguridad".

Figura 2-4. Ciclo Global de Vida de Seguridad

El ciclo se inicia con el concepto definición (el escenario), continúa con el análisis

de riesgos, realización, puesta en marcha, mantenimiento y finaliza con el fuera de

servicio definitivo.

Cada periodo del ciclo de vida incluye:

• Objetivos

• Requerimientos

• Campo de aplicación

• Especificación


38

• Resultados

La evaluación de la seguridad funcional debe ser realizada en todas las fases,

especialmente en los casos de niveles más altos de seguridad, por expertos

independientes (empleados, departamentos, organizaciones) con acceso a todo el

personal, toda la documentación asociada y todos los equipos.

Dentro de la fase 9 del Ciclo existen dos conceptos claramente diferenciados: el

hardware (parte 2 de la IEC-61508) y el software (parte 3).

2.2 Diseño de los Sistemas de Seguridades. Consideraciones Generales.

Cuando nos enfrentamos ante un Sistema de Seguridades debemos fijar unos

criterios básicos de diseño que serán vitales en las fases posteriores:

• ¿Qué Tecnología utilizar? : Relés, Estado Sólido, Microprocesador.

• ¿Qué Niveles de Redundancia? ¿Depende de la Tecnología o del Nivel de

riesgo?.

• Dispositivos de campo: ¿Digitales o Analógicos? ¿Redundantes? ¿Cada

cuánto deben ser probados? ¿Depende de la aplicación, tecnología o del

nivel de riesgo?.

• Pruebas periódicas: ¿Cada cuánto? ¿Depende de la tecnología, del nivel de

redundancia o del nivel de riesgo?.

• ¿Tipos de fallos del Sistema de Seguridad?.

• Normativa: ¿Cuál aplicar?.

En cualquier proceso existen muchos riesgos que pueden causar un accidente.


39

En la Figura 2-5 se muestran todas las posibles causas de un fallo.

Figura 2-5. Riesgos principales

2.3 Sistema de Control versus Sistema de Seguridad.

Es algo reconocido por todos los expertos en seguridad y recomendado por todas

las Normas que ambos Sistemas deben ser independientes. A pesar de todo

todavía hoy encontramos técnicos o responsables de planta que no ven o no

quieren ver la diferencia entre ambos sistemas y ponen intereses económicos o de

otro tipo por encima de la seguridad de la planta.

Es obvio que el utilizar el mismo sistema para ambas funciones (control y

seguridad) tiene ventajas (por ejemplo costo y mantenimiento) pero también es

evidente que ello tiene muchos riesgos que esperamos aclarar en este capítulo.

Supongamos que el mismo Sistema de Control realiza también las funciones de

protección y seguridad y que se produce una demanda de seguridad desde el

proceso o caldera, por ejemplo, una repentina subida de presión dentro del hogar.


40

El Sistema de Control debe actuar inmediatamente disparando la caldera, lo que

conlleva, por ejemplo, el cierre de todas las válvulas de corte de combustible

(SOV=Shut-off Valve).

¿Qué pasa si se produce un fallo en el Sistema de Control? Un fallo de este tipo no

debe nunca impedir que la caldera alcance un estado seguro.

Figura 2-5. Demanda de seguridad

En la Figura 2-5 se muestra un claro y sencillo ejemplo de fallo peligroso.

Si durante la operación de la caldera se había producido un cortocircuito en una

salida digital, ni el sistema ni el operador se habían enterado.

Aunque la CPU ordene el cierre de la válvula (desenergización) ésta no se

producirá si el transistor de salida está cortocircuitado.

Figura 2-6. Fallo Activo y Pasivo


41

Ahora supongamos que existe un Sistema de Seguridades separado e

independiente.

El Sistema de Seguridades también podría fallar y por ello debe cumplir con

ciertos criterios de diseño que lo diferencia enormemente del Sistema de Control.

Figura 2-7. Demanda de seguridad

El fallo a posición Segura es esencial. Deben minimizarse los "disparos sin

motivo" o "fallos molestos".

Figura 2-8. Tipos de fallos

Los tipos de fallos del Sistema de Seguridades o SIS (Safety Instrumented

System, según la IEC-61508) son:

• Fallo peligroso no detectado: es el peor, se evita con las pruebas periódicas

o mejorando los autodiagnósticos.

• Fallo peligroso detectado: debe actuarse rápidamente.


42

• Modo degradado por fallo parcial del sistema redundante: es el mejor, la

redundancia aumenta el costo de inversión pero reduce el costo total del

ciclo de vida.

• Disparo falso: debe mejorarse el MTBF del sistema, puede inducir al abuso

de los bypasses.

• La IEC-61508 realiza muchas consideraciones en relación a los fallos del

SIS.

Por ejemplo, clasifica los componentes del E/E/PES en 2 grupos:

• Componentes Tipo A.

Los modos de fallo de todos los componentes están bien definidos y los

componentes pueden ser totalmente probados y existe un buen histórico de datos

de fallos (100.000 horas de operación en 2 años en 10 sistemas en diferentes

aplicaciones).

Ejemplo: resistencias, relés.

• Componentes Tipo B.

Los modos de fallo no están bien definidos ó no todos los componentes pueden ser

totalmente probados ó no existe un buen histórico de fallos.

Ejemplo: microprocesadores.

A partir de esta clasificación y considerando el porcentaje de diagnósticos del

equipo se establecen los niveles SIL que pueden alcanzarse.


43

La mayoría de los usuarios han tenido afortunadamente pocas experiencias de

fallos en los PLC´s. Los típicos fallos del "watchdog" de la CPU o de una salida

digital que no se energiza son conocidos por todos, pero muy pocos conocen a

fondo la cantidad de posibles fallos que puede tener un PLC, muchos de ellos

semi-ocultos y a veces difíciles de reconocer como fallos claros.

A título de ejemplo diremos que según la IEC-61508 ningún sistema basado en

microprocesador puede tener un nivel superior a SIL3 aunque el porcentaje de

autodiagnósticos sea del 99%.

Las diferencias principales entre el Sistema de Control y de Seguridades se

muestran en el siguiente resumen:

Los Sistemas de Control son activos y dinámicos, de ahí que la mayoría de los

fallos se autodetectan por sí solos. Los Sistemas de Seguridades son pasivos y

estáticos por lo que muchos fallos permanecen ocultos. Necesitan ser probados

manualmente o incorporar autodiagnósticos, algo que los PLC´s de propósito

general apenas incorporan.

Combinar ambas funciones, control y seguridad, en un sólo sistema tiene ventajas:

alimentación única, simplifica el mantenimiento y almacenaje de repuestos,

facilita la formación del personal técnico y disminuye el costo. Sin embargo casi

todas las Normas, Estándares y recomendaciones de los especialistas

desaconsejan insistentemente esta combinación.


44

Si alguien decidiera ir contra estas recomendaciones debiera tener poderosas y

documentadas razones para hacerlo. ¿Cómo se podría justificar en caso de

accidente ante un jurado una decisión de este tipo?.

Ambos Sistemas deben estar física y funcionalmente separados incluyendo los

instrumentos y actuadores.

Figura 2-9. Niveles de Control

Los fallos por causas comunes deben evitarse (hardware, software, vibraciones,

calor, errores de diseño, errores de mantenimiento, etc.).

2.4 Selección de la TECNOLOGIA.

¿Neumática, Relés, Estado Sólido, PLC's?.

Cada una tiene ventajas e inconvenientes.

Depende de muchos factores: presupuesto, tamaño, nivel de riesgo, flexibilidad,

mantenimiento, requerimientos de interfase y comunicaciones, seguridad, etc.

Los sistemas neumáticos pueden ser más convenientes para pequeñas

aplicaciones donde interese la simplicidad, seguridad intrínseca y la ausencia de

tensiones eléctricas.


45

Los relés son simples, son relativamente baratos, inmunes a la mayoría de ruidos

electromagnéticos y pueden utilizarse para muy diversos rangos de tensiones. No

incorporan generalmente ningún tipo de interfase o comunicación. Los cambios en

la lógica pueden ser complejos. En general, los sistemas de relés se utilizan para

aplicaciones relativamente pequeñas.

Los sistemas de estado sólido no utilizan software. Muchos de ellos fueron

diseñados específicamente para aplicaciones de seguridad e incluyen

posibilidades de prueba, by-passes y comunicaciones. Los cambios en la lógica

pueden ser complejos. Estos sistemas pierden adeptos cada día debido a su

limitada flexibilidad, alto coste y a la aceptación generalizada de los sistemas

basados en software.

Los sistemas basados en PLC´s ofrecen muchas ventajas:

Bajo coste, facilidad de realizar cambios, capacidad de comunicación y de

interfases, gráficos para el operador, autodocumentación, etc.... y

¿autodiagnósticos?.

La mayoría de PLC's no han sido diseñados con la suficiente capacidad de

autodiagnóstico y no se recomiendan para aplicaciones de seguridad SIL2 o SIL3

La ausencia de autodiagnósticos es el punto débil de la mayoría de PLC's en

aplicaciones de seguridad.

¿Cómo conseguir Seguridad + Disponibilidad al mismo tiempo?

Figura 2-10. Seguridad Disponibilidad


46

En los años 70 se intentó elevar el nivel de seguridad utilizando salidas en serie

de PLC's de propósito general.

Figura 2-11. PLC's en serie

En los años 80 se intentó aumentar el grado de disponibilidad utilizando salidas

en paralelo de PLC's de propósito general.

Figura 2-12. PLC's en paralelo

Posteriormente, a mediados de los 80, apareció el principio de voto mayoritario

con lógica 2 de 3.


47

Figura 2-13. Lógica 2 de 3

Figura 2-14. Lógica 2 de 3

Otra arquitectura también muy utilizada e incluso recogida en algunos Estándares

es la mostrada en la Figura 2-15.

Figura 2-15. Sistema Redundante de Relés


48

¿Qué mejoras introduce el PLC de seguridad?.

Analicemos por ejemplo, paso a paso, la electrónica utilizada en una salida digital.

Partimos del circuito más simple, con un solo transistor de salida:

Figura 2-16. Salida digital

Si se cortocircuita el transistor estaremos ante un fallo peligroso no detectado

(FTD=Fail To Danger).

Para al menos detectarlo, introducimos una realimentación de la salida y una

rutina de diagnóstico de micropulsos de prueba:



49

Para actuar sobre la salida en caso de fallo utilizamos un segundo transistor en

serie.


Realimentamos también el segundo transistor y además lo enclavamos con el

circuito watchdog:



50

Hasta ahora hemos conseguido un circuito de salida seguro ("fail-safe"), tolerante

a fallo para Seguridad pero no para Disponibilidad.

Figura 2-20. Seguridad - Disponibilidad

Si redundamos el circuito tendremos las dos cosas:

Figura 2-21. Salida digital redundante


51

Existen muchas diferencias entre un PLC estándar, de propósito general, y un PLC

de seguridad. A continuación se indican las más importantes:

PLC fail-safe

• Cumple estrictamente las

Normas de diseño de Sistemas

de Seguridad tales como la

IEC61508, FPA, FM

• Certificado por organismos

competentes de prestigio como

TÜV

• Incorporan rutinas de

autodiagnóstico de todo el

hardware y software que

detectan cualquier fallo interno

peligroso (>99%)

• El fallo a situación segura está

garantizado si falla cualquier

componente interno

• Las modificaciones se

autodocumentan

automáticamente por lo que se

minimizan los errores

PLC estándar

• No cumple ninguna Norma de

Seguridad

• La ausencia de autodiagnósticos

requiere una labor extra de

pruebas frecuentes de

mantenimiento que algunas veces

exige la parada del sistema

• Los fallos peligrosos "escondidos"

no se detectan por lo que se

pueden producir situaciones

peligrosas. No son seguros ante

fallo.

• Ejemplos de fallos peligrosos no

detectados: cortocircuito de la

salida, pérdida o corrupción de

memoria o de transferencia de

datos en el bus interno, bloqueo

de I/O a estado "1" o "0", fallos

en la CPU, etc.

2.5 Dispositivos de campo.

El nuevo Estándar IEC-61508 introduce el concepto de SIS (Safety Instrumented

System). El SIS no es solamente el PLC, sino también los dispositivos de campo, la

corriente eléctrica, etc.


52

Si atendiéramos a la probabilidad de fallo de cada parte del SIS deberíamos

cuidar mucho más el diseño de la parte de campo que la del propio PLC.

Figura 2-22. Concepto SIS

La Figura 2-23 se refiere solamente a los fallos del hardware sin tener en cuenta

otros factores externos como el mantenimiento incorrecto o insuficiente, errores

de calibración y la formación.

Figura 2-23. Fallos hardware

También con los dispositivos de campo se deben hacer una serie de

consideraciones:

• Fallos peligrosos (FTD) y fallos molestos (FTN).

• Selección correcta para cada aplicación.


53

• Tendencia al uso de transmisores “smart” (más diagnósticos).

Redundancia:

• La probabilidad de fallo simultáneo en dos sensores es remota, excepto en

los fallos por causas comunes (temperatura, vibraciones, montaje,

alimentaciones, cableado, errores humanos).

• La influencia de las causas comunes internas disminuye cuanto mayor es el

nivel de redundancia.

• Efectiva contra fallos aleatorios pero no contra errores de diseño o

sistemáticos.

• Lógica sensores: 1oo1,1oo1D,1oo2,1oo2D,2oo3.

• Lógica elementos finales: 1oo1, 1oo2, 2oo2.

Requerimientos de diseño:

Los siguientes puntos deben tenerse en cuenta en el diseño de los dispositivos de

campo de cualquier sistema de seguridades:

• Independientes de los del Sistema de Control.

• Fail-safe: la pérdida de energía provoca el disparo.

• Sensores: cableados directamente al PLC, transmisores smart, alarmas de

discrepancia si hay redundancia, rangos apropiados.

• Elementos finales: posición en caso de fallo de aire o energía eléctrica,

finales de carrera, rapidez de respuesta, ambiente agresivo, etc.).

• Cableado: inducciones, tierras, cajas y multicables separados, cables sin

comunes, fusibles.


54

2.6 Hardware del Sistema.

Los siguientes puntos deben tenerse en cuenta en el diseño del hardware de

cualquier sistema de seguridades:

• Desenergizar para disparar.

• Rutinas de diagnósticos por el carácter pasivo del SIS.

• Minimizar los fallos por causas comunes.

• Protección contra agentes externos: tª, humedad, ruido eléctrico,

vibraciones, etc.

• Alimentación eléctrica: limpia, protegida y estabilizada.

• Tierras adecuadas.

• Relés: para máxima y mínima carga.

• Bypasses con alarma individual.

• Procedimiento completo de pruebas.

2.7 Software del Sistema.

Los siguientes puntos deben tenerse en cuenta en el diseño del software de

cualquier sistema de seguridades:

• Estructurado y con método.

• Comentado con la máxima claridad.

• La funcionalidad debe probarse a fondo mediante un procedimiento y el uso

de simuladores.

• Prevenir los accesos no autorizados.

• No realizar cambios “on-line”.

• Cualquier cambio en planta debe probarse a fondo y documentarse.


55

2.8 Mantenimiento del Sistema.

Los siguientes puntos deben tenerse en cuenta en el mantenimiento de cualquier

sistema de seguridades:

• Por personal bien entrenado.

• Pruebas periódicas para verificar la integridad del SIS incluyendo el PLC y

campo.

• La capacidad de autodiagnósticos del PLC influye mucho sobre la

periodicidad.

• Cualquier cambio debe probarse a fondo y documentarse.

2.9 Requerimientos de diseño de la NFPA.

El Estándar NFPA es posiblemente el más utilizado y aceptado en todo el mundo.

Se trata de una Norma de carácter general donde se dan una serie de

recomendaciones tanto desde el punto de vista del proceso como del sistema de

seguridades utilizado. Muchas de estas recomendaciones son de obligado

cumplimiento, otras son solo recomendables y otras se dejan en manos del

fabricante o diseñador. Algunas veces las recomendaciones son interpretables de

formas distintas según el punto de vista y los intereses del que lo hace.

Desde el punto de vista del "Sistema lógico" existen algunas recomendaciones

que se indican en el apartado 2.3.1.

2.10 Conclusiones prácticas.

Sacar conclusiones de todo lo anterior es realmente difícil. Sin embargo lo hemos

intentado por medio de la Figura 2-27, en la parte relativa al diseño de PLC

(hardware + software).


56

Figura 2-24. Sistema BPS-BMS

2.11 Detectores de llama.

Dentro de los dispositivos de campo, los detectores de llama son seguramente

unos de los más importantes en un Sistema de Seguridades de Caldera. Por ello y

por el desconocimiento que existe en muchos técnicos hemos querido hablar algo

de ellos en este curso.

En la parte superior de la Figura 2-28 se muestran las curvas de Foto-sensibilidad

vs. longitud de onda, de los sensores más habitualmente utilizados.

La curva S1 es la del sensor del detector ultravioleta (UV) y la curva S3 la del

sensor de sulfito de plomo del detector de infrarrojos (IR).

En la parte central inferior de las gráficas (de 400 a 800nm.) se muestra la zona de

radiación visible por el ojo humano.

En la parte inferior de la Figura 2-28 se muestran las curvas de Energía-emitida vs.

longitud de onda, de las llamas de los combustibles más habituales.


57

La F1 corresponde a la llama de fuel-oil. Se observa que emite radiación UV y

mucha IR.

La F2 corresponde a la llama de carbón pulverizado. Se observa que emite poca

radiación UV y mucha IR.

La F3 corresponde a la llama de gas. Se observa que emite mucha radiación UV y

mucha IR.

La F4 corresponde a la radiación emitida por la pared caliente de la caldera. Se

observa que sólo emite radiación IR.

Figura 2-25. Curvas detectores


58

De la observación de estas curvas se pueden sacar algunas conclusiones.

En primer lugar parece claro que para el gas debemos utilizar el detector UV y para

el carbón pulverizado el detector IR/Flicker. La llama de gas emite también mucha

radiación IR pero de una frecuencia similar a la de la pared caliente de la caldera.

El efecto Flicker es el de pulsación de la llama. La frecuencia de pulsación es

distinta según sea el combustible, la zona de la llama y las condiciones de la

combustión. Por ello es muy importante que el amplificador de llama incorpore

filtros de frecuencia que puedan discriminar unas frecuencias de otras.

En segundo lugar debemos tener cuidado con las radiaciones de baja frecuencia

de la pared caliente pues pueden producir señales falsas de llama si no las

filtramos. Cuando utilizamos la zona IR debemos, casi siempre, evitar las bajas

frecuencias.

En la Figura 2-26 se muestra un resumen muy general de las ventajas y

desventajas de cada tipo de detector.

Figura 2-26. Detectores UV/IR


59

En la Figura 2-27 se muestran algunas curvas típicas de llamas de fuel-oil y carbón

pulverizado.

Obsérvese que puede ocurrir (ver gráfico inferior derecho) que en algunas

frecuencias (las bajas) las intensidades con el quemador apagado sean superiores

a las del quemador encendido.

Figura 2-27. Curvas llama típicas

2.12 Terminología de seguridad.

• MTTF Mean Time To Failure.

• PFD Probability of Failure on Demand.

• SIS Safety Instrumented System.

• SIL Safety Integrity Level.

• FMEA Failure Modes and Effects Analysis.

• FTA Fault Tree Analysis.


60

• HAZOPS Hazard and Operational Analysis.

• MTTR Mean Time to Repair.

• MTBF Mean Time Between Failures.

• FIT Failures per billion (109) hours.

• RRF Risk Reduction Factor.

• MTTFD Mean Time To Fail Dangerously.

• PFS Probability of Failing Safely.

• MTTFS Mean Time To Fail Safely

• FMEDA Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis.

• FTD Fail To Danger.

• FTN Fail To Nuisance.


61

3. BMS para calderas industriales (Sistemas de Gestión de

Quemadores).

3.1 Requisitos de diseño.

Los siguientes requisitos de diseño están extraídos de los requerimientos exigidos

por la NFPA 8502.

El BMS se diseñará de forma que un fallo individual en el sistema no impida la

ejecución de un disparo. Se deberán generar las alarmas necesarias para indicar

mal funcionamiento del equipo, condiciones de riesgo o mala operación. El primer

objetivo es el de alarmar condiciones que supongan una amenaza de peligros

próximos o inmediatos.

El diseñador del sistema deberá evaluar como mínimo los siguientes modos de

fallos de los componentes:

a) Interrupciones, excursiones, restablecimiento, caídas, transitorios y

pérdidas parciales de tensión.

b) Corrupción y pérdida de memoria.

c) Corrupción y pérdida de transferencia de información.

d) Fallo a energizado o desenergizado de las entradas y salidas.

e) Señales no legibles o no leídas.

f) Fallo en la detección de errores.

g) Fallos de procesador.

h) Fallos en las bobinas de los relés.

i) Fallos a abrir o cerrar en los contactos de los relés.

j) Fallos en los temporizadores.


62

Se deberán incluir diagnósticos para vigilar el funcionamiento del procesador.

Los fallos del sistema lógico no impedirán la intervención propia del operador.

La lógica estará protegida contra cambios no autorizados.

La lógica no se cambiará con el equipo asociado en operación.

El tiempo de respuesta del sistema será suficientemente corto como para prevenir

efectos negativos sobre la aplicación.

Deberá tener una protección adecuada al ruido para prevenir falsas maniobras.

El operador siempre estará provisto de un pulsador manual dedicado que actúe

sobre el relé MFT independiente y directamente.

El sistema BMS no será combinado con ningún otro sistema lógico.

El BMS incluirá como mínimo, aunque no estará limitado, las siguientes funciones

de seguridad: enclavamientos y temporizado de la purga, disparos de seguridad

obligatorios, tiempo de encendidos y vigilancia de la llama.

El BMS estará limitado a una sola caldera.

El BMS estará provisto de lógica independiente, entradas y salidas

independientes, fuentes de alimentación independientes, y estará física y

funcionalmente separado de otros sistemas lógicos.

Se permite el uso de comunicaciones software con otros sistemas. Las señales que

inicien disparos deberán ser cableadas.


63

Las secuencias y equipos que causen un disparo, una vez iniciado éste, requerirán

la acción del operador para restablecer la operación del equipo disparado. No se

permitirá que ninguna secuencia lógica o equipo cierre momentáneamente y

reabra inadvertidamente las válvulas de combustible.

3.2 Requisitos funcionales.

La función del sistema de seguridades de caldera y manejo de quemadores es la

de vigilar la caldera y poner o quitar de servicio de una forma segura los

quemadores.

De acuerdo con todas las señales procedentes de la instrumentación de campo

(transmisores de presión, temperatura, nivel, finales de carrera, etc.) y, si es el

caso, de las procedentes de otros sistemas o equipos auxiliares, el BMS se

encargará de ejecutar las acciones necesarias (cierre de válvulas de combustible,

etc.) para evitar sobrepasar los límites de funcionamiento considerados

aceptables para la caldera o el proceso, llevando a la caldera a una situación de

seguridad desde la cual se podrá reiniciar su puesta en servicio.

Además de la vigilancia continua del estado general de la caldera, el BMS se

encargará de ejecutar, de una forma segura, todas las secuencias de encendido y

apagado de los quemadores e ignitores.

De forma general, se podrían distinguir las siguientes secuencias:

- Disparos de Caldera. Cualquier situación de riesgo para la caldera o el proceso

provocará un disparo de la misma. Dicho disparo provocará el cierre de todas las

válvulas de corte de combustible, así como la desenergización del relé MFT.


64

- Barrido o Purga de Caldera. Después de cualquier disparo de caldera se debe

realizar un barrido del hogar y de todos sus conductos asociados, con el objetivo

de evitar que una posible atmósfera rica en combustible, debida a pequeñas fugas

o a inquemados, pueda causar una explosión en el caso de un encendido.

- Rearme de Caldera. Una vez que el barrido ha sido finalizado y no hay ninguna

condición de disparo, se ha de rearmar el relé MFT. Esta acción produce el reset de

todas las memorias de disparo, tanto a nivel software (PLC) como hardware (relé

MFT), lo que permitirá el encendido del quemador. El relé MFT es un relé de

seguridad que es manejado por el PLC además de ser desenergizado directamente

por los pulsadores de disparo de emergencia. La tensión a todas las válvulas de

corte combustible se establece a través de sus contactos de forma que si el relé

MFT está desenergizado no es posible la apertura de dichas válvulas.

- Encendido y apagado de los quemadores e ignitores. Estas secuencias se

encargarán de la puesta en servicio de los quemadores, asegurando que todos los

permisivos necesarios para ello se van cumpliendo adecuadamente. Asimismo, se

encargará de la vigilancia permanente del estado de los quemadores, de forma

que provocará el disparo de los mismos ante una anomalía en las señales de

proceso (pérdida de llama, alta/baja presión de combustible etc.), cortando

inmediatamente la aportación de combustible al hogar.

3.3 Barrido de caldera.

Después de cada disparo de caldera se debe utilizar el barrido con el VTF para

remover del hogar cualquier resto de combustible gaseoso o suspendido y

reemplazarlo por aire.


65

3.3.1 Permisivos.

El operador comprobará que se satisfacen todos los permisivos de arranque del

VTF y lo arrancará. Para poder realizar el barrido de caldera se deberán cumplir las

siguientes condiciones:

a) Caldera disparada.

b) Caudal aire combustión no bajo/bajo.

c) Todas las válvulas de corte de combustible cerradas.

d) VTF en marcha.

e) Presión hogar no alta/alta.

f) No disparo de emergencia.

g) Alabes VTF no forzados a posición completamente abierta (tiro natural).

h) No bloqueo de álabes del VTF. Situación que se produce ante un disparo de

caldera debido a un muy bajo caudal de aire de combustión o a una muy baja

relación combustible-aire.

i) No llama detectada.

En este momento la indicación de iniciar barrido caldera se iluminará hasta que el

operador presione el pulsador de inicio de barrido, iniciándose entonces la

secuencia de barrido.

3.3.2 Secuencia automática.

Una vez presionado el pulsador de inicio del barrido, se dará orden de situar los

álabes del VTF en posición de barrido.

Para que la secuencia de barrido se lleve a cabo con éxito, se deben cumplir las


a) Permisos de barrido satisfechos.


66

b) Caudal de aire >= 25 % de plena carga.

c) Registros de aire de los quemadores abiertos.

Si estas condiciones se cumplen, se iluminará la indicación de barrido de caldera

en progreso durante un período de 300 seg. Si durante la secuencia automática se

pierde algún permisivo, será necesario repetir la secuencia de barrido.

3.3.3 Rearme.

Una vez finalizado el barrido de caldera y si no existe ninguna condición de

disparo (ver 2.3.4) se iluminará la indicación de rearmar caldera y el operador

deberá accionar el pulsador correspondiente con el objeto de rearmar el relé MFT

y la lógica de disparo de caldera. Una vez rearmada la caldera la indicación de

caldera disparada desaparece, quedando la caldera en disposición de encendido.

3.4 Disparos de caldera.

3.4.1 General.

Cualquier disparo de caldera provocará el cierre de todas las válvulas de corte de

combustible así como la desenergización del relé MFT.

3.4.2 Disparos.

Cualquiera de las siguientes causas provocará un disparo de caldera:

a) Relación aire/combustible muy bajo.

b) Nivel del calderín muy bajo.

c) Presión del vapor del calderín muy alta.

d) Presión del hogar muy alta.

e) Presión del aire de instrumentación muy baja.

f) Fallo de alimentación del sistema de control.


67

g) VTF no en marcha.

h) Caudal aire combustión muy bajo.

i) Disparo de emergencia.

j) Pérdida de todas las llamas.

k) Ultima válvula de combustible cerrada.

3.5 Ignitor.

3.5.1 General.

El ignitor se pondrá en servicio cuando sea requerido para el encendido del

quemador al actuar sobre el pulsador de encendido del quemador, o cuando sea

requerido para la purga del combustible líquido.


El ignitor podrá ser puesto en servicio si las siguientes condiciones están

presentes:

a) No existen condiciones de disparo de emergencia del ignitor (ver 2.3.5.4).

b) Transcurrido el tiempo entre encendidos.

c) Todas las válvulas de combustible cerradas y no hay llama en caldera, o algún

quemador está en servicio.

d) No hay llama de ignitor detectada o algún quemador está en servicio.

e) No existen condiciones de disparo de caldera.

En este momento el ignitor quedará listo para encender desde la lógica de

encendido del quemador.


68


La secuencia de encendido del ignitor será como sigue:

a) Los transformadores de ignición se energizarán durante 10 seg.

b) Las válvulas de corte del ignitor se energizarán durante 10 seg.

c) Si tras el fin de estos 10 seg. se recibe la señal de llama ignitor detectada, se

activará la indicación de ignitor en servicio manteniéndose abiertas sus válvulas y

retirando el transformador.

3.5.4 Apagado del ignitor.

El ignitor se apagará cuando éste no sea requerido por el quemador ó cuando

ocurra cualquiera de las siguientes condiciones de disparo de emergencia del

ignitor:

a) Disparo de la caldera.

b) Fallo de llama del ignitor.

3.6 Quemador de gas.


El operador podrá encender el quemador si los siguientes permisivos de

encendido están satisfechos:

a) Llama de quemador no detectada e ignitor listo para encender, o el quemador

está en servicio con combustible líquido.

b) No disparo de caldera.

c) Presión de suministro de gas natural no baja.

d) Válvulas de corte del quemador de gas natural cerradas.


69

e) Condiciones de disparo del quemador de gas natural no presentes (ver 2.3.6.3).

f) Ningún quemador se encuentra en secuencia de encendido.

g) Válvula de control de gas natural en posición de encendido.

En este momento la indicación quemador de gas natural listo se iluminará y el

operador podrá encenderlo actuando sobre su correspondiente pulsador.


La secuencia automática de encendido del quemador con gas natural será como

sigue:

a) El ignitor es puesto en servicio (si el quemador no está en servicio con

combustible líquido) según se describe en 3.5.3.

b) Se da orden de abrir las válvulas de corte y orden de cerrar la válvula de

venteo de dicho quemador.

Si se reciben las señales de válvulas de corte de gas natural no cerradas y llama

de quemador detectada, transcurridos 5 seg., se iluminará la indicación de

quemador de gas natural en servicio.

c) Se da orden de apagar el ignitor (si está en servicio).


El apagado del quemador de gas natural se provocará cuando el operador actúe

sobre el correspondiente pulsador de apagado o por cualquiera de las siguientes

condiciones de disparo, haciendo que sus válvulas de corte se cierren:

a) Disparo de caldera.

b) Muy baja presión de gas natural (3 seg. después de la apertura de las válvulas

de corte de gas natural).

c) Muy alta presión de gas natural.


70

d) Condición de disparo gas natural (input excedido).

e) Fallo llama quemador gas natural.

f) Fallo de encendido del ignitor al ser requerido por la secuencia del quemador.

g) Fallo de válvulas de corte de gas natural.

3.7 Quemador de fuel oil.


El operador podrá encender el quemador si los siguientes permisivos de

encendido están satisfechos:

a) Llama de quemador no detectada e ignitor listo para encender, o el quemador

está en servicio con gas natural.

b) No disparo de caldera.

c) Presión de suministro de vapor de atomización no baja.

d) Presión de suministro de combustible liquido no baja.

e) Válvulas de corte de combustible líquido cerradas.

f) Condiciones de disparo del quemador con combustible líquido no presentes (ver

2.3.7.3).

g) Ningún quemador se encuentra en secuencia de encendido.

h) Válvula de control de combustible líquido en posición de encendido.

En este momento la indicación quemador de combustible líquido listo se iluminará

y el operador podrá encenderlo actuando sobre dicho pulsador.


71


La secuencia automática de encendido del quemador con combustible líquido será

como sigue:

a) El ignitor es puesto en servicio (si el quemador no está en servicio con gas

natural) según se describe en 3.5.3.

b) Se da orden de cierre a la válvula de recirculación y de apertura a las válvulas

de corte de combustible líquido y del vapor de atomización de dicho quemador.

Si se reciben las señales de válvulas de corte de combustible liquido no cerradas,

válvula de atomización abierta y llama de quemador detectada, transcurridos 5

sg., se iluminará la indicación de quemador de combustible líquido en servicio.

c) Se da orden de apagar el ignitor (si está en servicio).


El apagado del quemador de combustible líquido se provocará cuando el operador

actúe sobre el correspondiente pulsador de apagado o por cualquiera de las

siguientes condiciones de disparo, haciendo que sus válvulas de corte se cierren:


b) Muy baja temperatura del combustible líquido.

c) Muy alta temperatura del combustible líquido.

d) Muy baja presión del combustible líquido.

e) Muy alta presión del combustible líquido.

f) Muy baja presión diferencial vapor atomización/ combustible líquido.

g) Condición de disparo combustible líquido (input excedido).

h) Lanza del quemador combustible líquido no acoplada.

i) Fallo de llama de quemador combustible liquido.

j) Fallo de encendido del ignitor al ser requerido por la secuencia del quemador.

k) Fallo de válvulas de corte de combustible líquido.


72

l) Fallo de válvula de corte de vapor de atomización.

3.7.4 Purga del combustible líquido.

Cuando se produce un apagado o disparo del quemador de combustible líquido y

una vez estén cerradas sus correspondientes válvulas de corte, se llevará a cabo

una secuencia de purga para limpiar la caña del quemador. La secuencia

automática que se genera es la siguiente:

a) Secuencia de encendido del ignitor (sólo si el quemador no tiene gas natural en

servicio).

b) Se da orden de abrir la válvula de purga y vapor de atomización, iniciándose

una temporización de 60 seg.

c) Pasado este tiempo, la secuencia de purga se considera finalizada y se da orden

de cerrar a la válvula de purga y de vapor de atomización y de apagar el ignitor.

El proceso de purga de la caña del combustible líquido puede ser bloqueado por

cualquiera de los siguientes motivos:


b) Fallo de válvulas de corte de combustible líquido.

c) Muy baja presión del vapor de atomización.

d) Lanza no acoplada.

e) La válvula de atomización no está abierta.

f) El ignitor no entra o no está en servicio cuando es requerido.

Si la secuencia de purga es bloqueada, el operador puede reiniciarla si todos los

permisivos se cumplen a través del pulsador de apagar quemador de combustible

líquido.


73

4. BPS-BMS para calderas de recuperación de calor.

Los requisitos de diseño y funcionales del sistema de seguridades en una caldera

de recuperación son análogos a los comentados para una caldera industrial.

Incluso la mayoría de las secuencias descritas para ellas serán válidas en este

caso también.

Sin embargo, por su particular diseño en cuanto al sistema de aire gases, las

secuencias de purga y disparos de calderas se ven modificadas. Por ello, a

continuación sólo se explicarán estas secuencias para las distintas

configuraciones habituales en estas calderas.

4.1 Calderas sin bypass y sin postcombustión.

4.1.1 Relé MFT Al no haber quemador no existirá el relé MFT.

Al no haber quemador no existirá el relé MFT.


El BPS enviará a la turbina la señal de “No disparo de combustión en turbina” si:

a) No existen condiciones de disparo (ver 4.1.3).

Será el sistema de seguridades de la turbina quien se encargue de la secuencia de

purga previa a su encendido.


74


Las siguientes condiciones provocarán el disparo de la combustión en turbina:

a) Muy bajo nivel de calderines.

b) Muy alta presión de gases de escape de turbina.

c) Seta de emergencia.

d) Muy alta presión de calderines.

4.1.4 Señales intercambiadas entre turbina y caldera

Turbina Caldera

<------------------------------- No disparo de combustión en turbina

4.2 Calderas con bypass y sin postcombustión.

Nota General: En lo sucesivo se hablará de diverter, entendiéndose como tal

cualquier medio de aislamiento turbina-caldera.

4.2.1 Relé MFT.

Al no haber quemador no existirá el relé MFT.


Se podrá decidir arrancar la instalación en ciclo simple o combinado.

Purga a través de caldera (ciclo combinado).

El operador podrá (si existe permiso de apertura - ver 4.2.3) abrir el diverter hasta

el 100% y, entonces, el BPS enviará a la turbina la señal “Diverter 100% abierto a

caldera”.


75

La turbina comenzará su secuencia de arranque y puesta en servicio a través de la

caldera, siendo el sistema de seguridades de la turbina quien se encargue de

vigilancia y temporización de la purga previa a su encendido.

Purga a través del bypass (ciclo simple).

El BPS enviará a la turbina la señal “Caldera Aislada” cuando:

a) Confirmación finales de carrera de diverter cerrado a caldera y

b) No hay fallo en el sistema de sello del diverter.

La turbina comenzará su secuencia de arranque y puesta en servicio a través del

bypass, siendo el sistema de seguridades de la turbina quien se encargue de



Después de cualquier condición de cierre del diverter o en un arranque inicial, éste

se podrá volver a abrir si se cumplen los siguientes permisivos de apertura:

a) Caldera rearmada.

b) Diverter listo.

c) Condiciones de cierre de diverter no presentes

d1) Temperatura de gases de turbina <Tª autoignición-56ºC, o

d2) Purga de caldera satisfecha.


76

4.2.4 Condiciones de cierre del diverter/rearme de caldera.

Condiciones de cierre del divertir.

Las siguientes condiciones provocarán el cierre del diverter:



c) Seta de emergencia cierre de diverter. Se cableará directamente a la señal de

mando del diverter.


Rearme de Caldera.

Después de cualquier condición de cierre del diverter, el operador deberá

comprobar la causa que lo motivó y, una vez subsanada, deberá actuar sobre

el pulsador de rearmar caldera, como requisito imprescindible para el inicio de la

apertura del diverter y puesta en servicio de la caldera.

Se establecen los siguientes permisivos de rearme de caldera:

a) Diverter cerrado a caldera.

b) No existe ninguna condición de cierre del diverter.

c) Diverter listo.


77

4.2.5 Purga de caldera.

Ciclo combinado.

El BPS establecerá purga satisfecha si se cumple:

a) “Purga Turbina ciclo combinado satisfecha”. Señal procedente de la turbina.

Paso de ciclo simple a ciclo combinado.

Será ahora sí el BPS quien se encargue de la vigilancia y temporización de la

purga de la caldera.

Para ello, se esperará recibir las siguientes señales:

a) Caudal de aire/gases > 25%.

b) Temperatura de gases de turbina < Tª autoignición – 56ºC.

c) Diverter en posición de purga.

Una vez satisfechos estos permisivos se iniciará automáticamente la

temporización de purga de caldera.

Se perderá la purga de caldera si:

a1) Durante la temporización de purga se pierde cualquiera de los permisivos

anteriores, o

a2) Si desaparece la señal de “Turbina con combustible”.


78



a) Fallo al cierre del diverter ante una condición de cierre del mismo (ver 4.2.4).




El BPS enviará la señal cableada a la Turbina “Carga Turbina Limitada” de modo

que la temperatura de sus gases de escape sea, al menos, 56 ºC menor a la

temperatura de autoignición del combustible usado en la turbina con objeto de

evitar que gases calientes procedentes de la turbina puedan provocar la ignición

de una eventual atmósfera rica en combustible en los siguientes casos:

a) Purga de caldera no satisfecha.

b1) El diverter no está cerrado a caldera, o

b2) Existe fallo en el sellado del cierre del diverter.

Si la turbina no puede cumplir esta limitación de carga o falla en su intento de

hacerlo, el sistema de seguridades de la turbina deberá disparar la combustión en

turbina.

Turbina ______________________ Caldera

<------------------------------------ No disparo de combustión en turbina.

<------------------------------------ Diverter 100% abierto a caldera.

<------------------------------------ Caldera aislada.

Caudal de aire/gases >25 % ----------------------->

<------------------------------------ Carga de turbina no limitada.

Turbina con combustible ---------------------->


79

Purga turbina ciclo combinado satisfecha ------->

4.3 Calderas sin bypass y con postcombustión.

4.3.1 Relé MFT.

Al haber quemador existirá el relé MFT.


El BMS enviará a la turbina la señal de “Caldera preparada para purga” si:

a) Las válvulas de combustible están cerradas.

b) No hay llama en caldera.

c) No hay condiciones de disparo de caldera/turbina (ver 4.3.6).




Después del encendido de turbina y mientras no se haya satisfecho por primera

vez la purga del quemador existirá la limitación de carga de turbina descrita en el

apartado 4.3.7.


Después de cualquier disparo del relé MFT o en un arranque inicial de

turbina/caldera es necesario hacer una purga del quemador previa a su encendido.

La purga inicial deberá realizarse con temperatura baja de gases de escape de

turbina.


80

Será, ahora sí, el BMS quien se encargue de la vigilancia y temporización de la

purga.

Para ello, el BMS establecerá los siguientes permisivos de purga:

a) Caudal de aire/gases > 25 %.

b) Caldera preparada para purga.

c1) Temperatura de gases de escape de turbina < Tª autoignición-56ºC , o

c2) Carga de turbina no limitada (ver 4.3.7).


temporización de purga de quemador.

Se perderá la purga de quemador si:

a1) Durante la temporización de purga se pierde cualquiera de los permisivos

anteriores, o

a2) Disparo del relé MFT.


Se establecen los siguientes permisivos de rearme:

a) Purga de quemador finalizada.

b) No existe ninguna condición de disparo del relé MFT.

El relé MFT se rearmará automáticamente cuando:

a) El BMS reciba una orden de encendido del quemador a través del pulsador de

encender quemador, produciéndose el rearme y el posterior encendido.


81

b) Se genere una demanda de postcombustión en automático produciéndose el

rearme y posterior encendido, excepto en los siguientes casos donde será

necesario que el operador accione el pulsador de encendido para rearmar el MFT:

b1) Si se produce una demanda de postcombustión en automático y el quemador

falla al encender dando lugar a una nueva purga de quemador, ó

b2) Si se produce una demanda de postcombustión en automático y una vez en

servicio el quemador se produce un disparo de emergencia del mismo.


Cualquier disparo del relé MFT provocará el cierre de las válvulas de corte de

combustible.

Cualquiera de las siguientes condiciones provocará el disparo del relé MFT:

a) Fallo control analógico.

b) Muy alta presión de hogar.

c) Muy baja presión de aire de instrumentos.

d) Pérdida de llama.

e) Última válvula de corte de combustible cerrada.

f) Disparos propios del combustible (temperatura fuel oil, presión diferencial

fuel/vapor, etc.).

g) Bajo nivel de agua en calderines.

h) Alta presión de vapor en calderines.

i) Carga de turbina inferior al límite fijado.

j) Condición de disparo de caldera/turbina (ver 4.3.6).

k) Caudal aire/gases <25%.

l) Seta de emergencia.

m) Fallo al cierre de cualquier válvula de corte de combustible.


82







e) Muy baja presión de aire de refrigeración de detectores de llama.


Después del encendido inicial de la turbina y hasta que se satisfaga por primera

vez la purga del quemador descrita en el apartado 4.3.3. el BMS enviará la señal

cableada a la Turbina “Carga Turbina Limitada” de modo que la temperatura de

sus gases de escape sea, al menos, 56 ºC menor a la temperatura de autoignición

del combustible usado en la turbina con objeto de evitar que gases calientes

procedentes de la turbina puedan provocar la ignición de una eventual atmósfera

rica en combustible.

Una vez satisfecha la purga inicial del quemador, la limitación de carga a la

turbina no volverá a aparecer hasta un nuevo disparo de la misma.



turbina.


83


Turbina___________________ Caldera

<---------------------------------- Caldera preparada para purga

<----------------------------------- No disparo de combustión en turbina

Caudal de aire/gases >25%--------------- ->

<---------------------------------- Carga de turbina no limitada

4.4 Calderas con bypass y con postcombustión.

4.4.1 Relé MFT.

Al haber quemador existirá el relé MFT.


Se podrá decidir arrancar la instalación en ciclo simple o combinado.

Purga a través de caldera (ciclo combinado).

El operador podrá (si existe permiso de apertura - ver 4.4.3) abrir el diverter hasta

el 100% y, entonces, el BMS enviará a la turbina la señal “Caldera preparada para

purga” si:

a) Las válvulas de combustible están cerradas.

b) No hay llama en caldera.

c) Diverter 100% abierto a caldera.





84

Después del encendido de turbina y mientras no se haya satisfecho por primera

vez la purga del quemador existirá la limitación de carga de turbina descrita en el

apartado 4.4.9.

Purga a través del bypass (ciclo simple).

El BMS enviará a la turbina la señal “Caldera Aislada” cuando:

a) Confirmación finales de carrera de diverter cerrado a caldera.

b) No hay fallo en el sistema de sello del diverter.

La turbina comenzará su secuencia de arranque y puesta en servicio a través del

bypass, siendo el sistema de seguridades de la turbina quien se encargue de



Después de cualquier condición de cierre del diverter o en un arranque inicial, éste

se podrá volver a abrir si se cumplen los siguientes permisivos:

a) Caldera rearmada.

b) Diverter listo.

c) Condiciones de cierre de diverter no presentes.

d) Válvulas de combustible cerradas.

e) Llama no detectada.

f1) Temperatura de gases de turbina <Tª autoignición-56ºC, o f2) No existe

limitación de carga de turbina (ver 4.4.9).


85

4.4.4 Condiciones de sierre del diverter/rearme de caldera.

Condiciones de cierre del divertir.

Cualquiera de las siguientes condiciones provocará el cierre del diverter:





e) Muy baja presión de aire de refrigeración de detectores de llama.

Rearme de caldera.

Después de cualquier condición de cierre del diverter, el operador deberá

comprobar la causa que lo motivó y, una vez subsanada, deberá actuar sobre el

pulsador de rearmar caldera, como requisito imprescindible para el inicio de la

apertura del diverter y puesta en servicio de la caldera.

Se establecen los siguientes permisivos de rearme de caldera:

a) Diverter cerrado a caldera.

b) No existe ninguna condición de cierre del diverter.

c) Válvulas de combustible cerradas.

d) Llama no detectada.

e) Temperatura de gases de turbina < Tª autoignición –56ºC.

f) Diverter listo.


86


Será necesario hacer una purga del quemador si:

a) El caudal de aire/gases a través de caldera es <25 %.

b) Después de cualquier disparo del relé MFT.

En el primer caso la purga deberá realizarse con temperatura baja de gases de

escape de turbina.

Será ahora sí el BMS quien se encargue de la vigilancia y temporización de la

purga.

Para ello, el BMS esperará recibir las siguientes señales:

a) Caudal de aire/gases > 25 %

b) Diverter en posición de purga.

c) Las válvulas de combustible están cerradas.

d) No hay llama en caldera.


temporización de purga de quemador.

Se perderá la purga de quemador si:

a) Durante la temporización de purga se pierde cualquiera de los permisivos

anteriores, o

b) Disparo del relé MFT.


87


Se establecen los siguientes permisivos de rearme:

a) Purga quemador finalizada.

b) No existe ninguna condición de disparo del relé MFT.

El relé MFT se rearmará automáticamente cuando:

a) El BMS reciba una orden de encendido del quemador a través del pulsador de

encender quemador, produciéndose el rearme y el posterior encendido.

b) Se genere una demanda de postcombustión en automático produciéndose el

rearme y posterior encendido, excepto en los siguientes casos donde será

necesario que el operador accione el pulsador de encendido (caso anterior) para

rearmar el MFT:

b1) Si se produce una demanda de postcombustión en automático y el quemador

falla al encender dando lugar a una nueva purga de quemador, o

b2) Si se produce una demanda de postcombustión en automático y una vez en

servicio el quemador se produce un disparo de emergencia del mismo.


Cualquier disparo del relé MFT provocará el cierre de las válvulas de corte de

combustible.

Cualquiera de las siguientes condiciones provocará el disparo del relé MFT:

a) Fallo control analógico.

b) Muy alta presión de hogar.

c) Muy baja presión de aire de instrumentos.

d) Pérdida de llama.


88

e) Última válvula de corte de combustible cerrada.

f) Disparos propios del combustible (temperatura fuel-oil, Fuel/vapor, etc.).

g) Bajo nivel de agua en calderines.

h) Alta presión de vapor en calderines.

i) Carga de turbina inferior al límite fijado.

j) Cualquier condición de cierre de diverter.

k) Diverter por debajo de posición mínima.

l) Caudal aire/gases <25%.

m) Seta de emergencia.

n) Fallo al cierre de cualquier válvula de corte de combustible.



a) Fallo al cierre del diverter ante una condición de cierre del mismo (ver.4.4.4).



4.4.9 Limitación de carga de la turbina.

El BMS enviará la señal cableada a la turbina “Carga Turbina Limitada” de modo

que la temperatura de sus gases de escape sea, al menos, 56 ºC menor a la

temperatura de autoignición de los combustibles usados en la caldera o turbina

con objeto de evitar que gases calientes procedentes de la turbina puedan

provocar la ignición de una eventual atmósfera rica en combustible en las


a) Fallo en el sellado del cierre del diverter, o


89

b) Diverter no cerrado a caldera y purga de quemador no satisfecha. Sólo existirá

limitación en este caso si la pérdida de la purga del quemador es por caudal a

través de caldera inferior al 25%.



turbina.


Turbina ____________________Caldera

<------------------------------------ No disparo de combustión en turbina.

<------------------------------------ Caldera preparada para purga.

<------------------------------------ Caldera aislada.

Caudal de aire/gases >25%------------------ ->

<------------------------------------ Carga turbina no limitada.


90

5. Control de Calderas.

5.1 Introducción.

El sistema de control de una caldera es la herramienta mediante la cual se

consiguen los equilibrios de masa y de energía de la misma ante las variaciones

en la demanda de los consumidores. La energía y la masa introducidas en la

caldera deben ser reguladas para conseguir las condiciones de salida deseadas.

Las medidas de las variables del proceso darán al sistema la información

necesaria para ello. En la Figura 3-1 se muestra mediante un diagrama de bloques

el esquema general del control de una caldera.

Figura 5-1. Esquema de control básico

Desde el punto de vista del equilibrio energético se debe generar una demanda de

carga (de fuego), de la cual se generarán a su vez las demandas de combustible y

aire, que proporcionarán el aporte de energía necesario para mantener el

equilibrio respecto a la extraída en el vapor.


91

El control de nivel será el encargado de mantener el equilibrio entre la masa

saliente en forma de vapor y la entrante en forma de agua. La temperatura del

vapor será mantenida mediante el control de temperatura de éste, con su

influencia, tanto en el equilibrio de energía como de masa.

En el sistema de control de una caldera, las diferentes variables interaccionan

sobre los diferentes subsistemas. Así, la demanda de carga influirá sobre la

temperatura de vapor, el caudal de agua sobre la presión de vapor que a su vez es

la causante de la demanda de carga. Por lo tanto, todo el sistema debe ser

coordinado y implementado de forma que minimice los efectos de dichas

interacciones, puesto que el propio diseño del sistema las puede aumentar.

La primera consideración como consecuencia de lo anterior es en donde se

requiere un sistema multivariable o lazos simples independientes. En general,

usaremos lazos de control simples en aquellas variables que no influyen, ni están

influidas, por otras externas al lazo, como pudieran ser, la presión de suministro

de combustibles, de conductos, etc., siempre que sus valores de consigna sean

fijos y no, función de otras variables del sistema.

Usaremos una estructura multivariable, por el contrario, cuando las variables

afectan o están afectadas por más de una variable medida o manipulada. En este

caso, un sistema cuyas acciones son tomadas en paralelo está generalmente

menos interaccionado que uno que las toma en serie. Un ejemplo de esto sería el

control de combustión en el cual la cantidad de aire y combustible se modifican a

la vez en lugar de una tras de otra, en cuyo caso una perturbación en la primera

variable se propaga en la segunda perturbando está y viceversa.

Otra regla general de implementación será el uso de circuitos de compensación de

forma que las perturbaciones en las variables no afecten al proceso.


92

Un ejemplo de esto sería la compensación según los combustibles que se estén

usando, de forma que la puesta en servicio de un nuevo combustible no modifique

el combustible total que se introduce en el hogar.

Aunque los lazos de control tienen de alguna forma tiempos muertos, en la

mayoría de los casos se puede asumir que una respuesta de primer orden es

adecuada para analizar el comportamiento de los lazos de una caldera. Con esta

premisa, las constantes de tiempo para las distintas variables podemos asumirlas

como:

- Caudal. Segundos

- Caída de presión. Segundos

- Nivel. De segundos a minutos.

- Aumento de presión. Minutos.

- Temperatura. Minutos.

- Presión en líquidos. Milisegundos a segundos.

Otro factor a tener en cuenta en el diseño del sistema de control, es la

interferencia de los ruidos en el sistema, ya sean ruidos en las medidas o en el

proceso. Un ejemplo del primer caso sería el ruido típico en la medida de un

caudal, y del segundo la pulsación que se produce en el hogar. Dependiendo de la

relación entre el ruido y la medida en sí, puede hacerse necesario la

implementación de algún tipo de filtrado, aumento en la calibración de los

transmisores, etc.


93

5.2 Controles auxiliares de una caldera.

5.2.1 Control de presión del fuel oil.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es mantener la presión del suministro de fuel oil en su

valor adecuado. El mantener la presión correcta en el suministro del fuel oil será

un elemento necesario para poder realizar un control de caudal, de acuerdo con la

demanda de carga, satisfactorio.

Filosofía del control.

La presión de impulsión de las bombas de suministro de fuel oil es variable en

función del caudal que están suministrando. Dicho caudal a su vez dependerá

lógicamente del consumo.

Para conseguir que esta presión se mantenga constante independientemente del

caudal suministrado se regulará el retorno de combustible al tanque de

almacenamiento, de forma que este caudal variable compense las variaciones del

caudal de suministro a los quemadores. Para ello utilizaremos un control PI simple

como el de la Figura 5-2. Si la presión aguas abajo de las bombas sube, la válvula

de retorno abrirá en orden a reducirla y viceversa.

5.2.2 Control de temperatura del fuel oil.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es mantener la temperatura del fuel oil en el valor

deseado.


94

El mantener una temperatura adecuada en el suministro del fuel oil permitirá

mantener la viscosidad de éste dentro de un rango de trabajo imprescindible para

su correcta atomización, que proporcione una combustión óptima.


Para adecuar la temperatura del fuel oil a su nivel de trabajo se colocan a la salida

de las bombas unos calentadores de vapor. Mediante la variación del caudal de

vapor a través de los calentadores se conseguirá una mayor o menor transferencia

de calor que hará controlable la temperatura del fuel oil ante variaciones en el

caudal de suministro. El lazo sería un PI simple como el que se muestra en la

Figura 5-3.


95

Figura 5-2. Control de presión del fuel oil


96

Figura 5-3. Control temperatura fuel oil

Si la temperatura de vapor aguas abajo del calentador sube, la válvula de

suministro de vapor cerrará en orden a reducir el caudal al calentador y reducir el

calentamiento, y viceversa.

Pudiera darse el caso de que el suministro del combustible líquido sea variable en

su composición de forma continua y que pueda modificar su viscosidad para una

temperatura dada. En este caso, si el sobrecoste está justificado por el consumo o

lo crítico de la instalación se puede usar un control PI+PI en cascada como el de la

Figura 5-4, en donde la viscosidad será la variable primaria y la temperatura la

secundaria. De esta forma, las variaciones de la viscosidad provocarán la

modificación del punto de consigna de la temperatura necesaria para mantener la

viscosidad requerida.


97

Si la viscosidad baja la salida de su controlador bajará en orden a reducir la

consigna del regulador de temperatura que cerrará la válvula de vapor, al igual

que en el caso de que la temperatura supera la requerida.

Figura 5-4. Control en cascada de temperatura del fuel oil


98

Enclavamientos.

Cuando el controlador secundario está en manual o en modo local (si existe) el

primario debe estar en manual. Otra opción es mantener el controlador primario en

modo seguimiento de forma que su salida sea igual a la variable de proceso del

secundario, de forma que el paso a automático o a consigna remota del secundario

haga entrar en control directamente al primario.

Si el primario está en manual el secundario se pasará o no a manual dependiendo

si se permite o no el control con consigna local en el secundario.

5.2.3 Control de presión del vapor de atomización.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es mantener la presión del vapor de atomización en un

valor adecuado. El mantener la presión adecuada permitirá asegurar que la

atomización del combustible líquido es correcta para el rango de funcionamiento

de éste, lo que es imprescindible para una combustión óptima.


99

Figura 5-5. Control de presión del vapor de atomización


Para poder mantener la presión del vapor en su punto de consigan se dispondrá de

una válvula de control en la línea de aportación de vapor a los quemadores. Para

una correcta atomización, normalmente, se debe mantener una presión diferencial

vapor/fuel oil constante. Para ello utilizaremos un control PI simple como el que

se indica en la Figura 5-5.


100

Figura 5-6. Control de presión del vapor con consigna variable

En algunas ocasiones podemos encontrarnos el caso de que la diferencial varía

para las distintas cargas del combustible. En este caso, la consigna de presión

vendrá dada en función de la presión del combustible (Figura 5-6).


101

5.2.4 Control de presión del desgasificador.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es mantener la presión en el desgasificador en un valor

adecuado. El mantener la presión adecuada permitirá asegurar que el agua de

aportación a la caldera está libre de gases disueltos que pueden provocar graves

corrosiones en ella.


Para mantener el tanque del desgasificador a la presión deseada se instala una

válvula de control de vapor en la entrada de la parte de desgasificación. Este vapor

se mezcla con el agua introducida en forma pulverizada llevándola a la

temperatura de saturación del tanque, lo que nos asegura la liberación de los

gases disueltos. El control de dicha presión se realizará mediante el lazo PI simple

de la Figura 5-7. En él si la presión en el desgasificador sube la válvula cerrará

aportando menos vapor y reduciéndose consecuentemente la presión, y viceversa.


102

Figura 5-7. Control de presión del desgasificador

5.2.5 Control de nivel del desgasificador.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es mantener en el desgasificador el nivel deseado. El

mantener dicho nivel asegura un suministro continuo de agua a la caldera ante

diferentes condiciones o variaciones en la demanda y una presión adecuada en la

aspiración de las bombas de agua de alimentación que garantiza su correcto

funcionamiento.


103


Para mantener el nivel del tanque del desgasificador en su valor deseado se

dispone de una válvula de control en la aportación de agua al mismo. Mediante la

aportación de más o menos agua mantendremos constante el nivel en el punto

deseado. Para ello se suele utilizar el control PI simple de la Figura 5-8. En él, al

aumentar el nivel se cierra la válvula para disminuir la aportación y viceversa.

Figura 5-8. Control de nivel del desgasificador


104

En instalaciones en donde las producciones son altas y existen variaciones de

carga amplias y frecuentes, se suele usar un diseño de lazo de tres elementos

como en el que indica en la Figura 5-9. Con este diseño se tiene en cuenta el

equilibrio entre la masa de agua aportada y extraída además de la consigna de

nivel deseado.

Así, el caudal de agua de alimentación (extracción del desgasificador) se utiliza

como índice de la posición de la válvula de aportación de agua/condensado al

desgasificador, usándose el error en el nivel como corrección de dicha

posición.Esta configuración la veremos más adelante como estrategia de control

en el nivel del calderín.


105

Figura 5-9. Control de nivel del desgasificador a tres elementos

En aquellas calderas utilizadas para la generación de energía en las que el agua

de aportación al desgasificador se toma del circuito de condensados, siendo el

agua de aportación al sistema introducida en el condensador, suelen usarse otras

estrategias en las que el control de la válvula de agua al desgasificador usa como


106

variable de proceso no sólo el nivel del desgasificador, sino también el nivel del

condensador, como se representa en la Figura 5-10.

Esta estrategia se basa en el hecho de que al sustraer la aportación al

desgasificador del circuito de condensados, ésta tiene que tener en cuenta el nivel

existente en el condensador a fin de introducir las mínimas perturbaciones en él

que pueden ocasionar modificaciones en su nivel de vacío.

Figura 5-10. Control de nivel del desgasificador de dos elementos


107

Enclavamientos.

Cuando el controlador secundario está en manual o en modo local (si existe) el

primario debe estar en manual. Otra opción es mantener el controlador primario en

modo seguimiento de forma que su salida sea igual a la variable de proceso del

secundario, de forma que el paso a automático o a consigna remota del secundario

haga entrar en control directamente al primario.



5.2.6 Control de la purga continua.

Objetivo.

El objetivo de este control es mantener la conductividad del agua de caldera en su

nivel deseado. El mantener la conductividad en unos niveles óptimos evitará la

formación de depósitos o arrastres de sólidos en el vapor que pueden ocasionar

serios perjuicios tanto a la caldera como a los consumidores del vapor de ésta.


Para mantener los sólidos disueltos en el agua a un nivel aceptable, se dispone de

una extracción en la parte baja del calderín de forma que parte de este agua se

circula hacia un tanque de purga continua. Una forma de encarar este lazo es

mediante un control de tres posiciones basándose en la conductividad medida

según se muestra en la Figura 5-11.


108

Figura 5-11. Control de conductividad de tres posiciones

La válvula de purga se mantendrá habitualmente en una posición de servicio.

Cuando la conductividad medida excede los límites deseados la válvula se llevará

a una posición superior al objeto de aumentar la purga. Cuando la caldera está

disparada la válvula se mantendrá cerrada. Al arrancarse la caldera, la válvula

pasa inicialmente a su posición abierta y tras un tiempo en ella, y con la

conductividad por debajo del valor fijado, se mueve a la posición de servicio.

La cantidad de purga de una caldera viene fijada normalmente como un porcentaje

del caudal de agua de alimentación. Por este motivo, a fin de desperdiciar la

mínima energía en calderas de variaciones de carga frecuentes, se puede diseñar

el lazo para que trabaje de forma continua usando el caudal de agua como índice

de la posición de la válvula de purga, como se muestra en la Figura 5-12.


109

Figura 5-12. Control de conductividad de dos elementos

La válvula de control se sitúa en una posición calculada de acuerdo con la

aportación de agua de alimentación. El error en la conductividad actúa como

corrección de dicha posición.


110

5.2.7 Control del nivel del tanque de purga continua.

Objetivo.

El objetivo de este control es mantener el nivel en el tanque de purga en el valor

deseado. Al mantener el nivel en su rango de operación se mantiene un sello de

agua adecuado por un lado y por otro se asegura la correcta descarga de la purga

en el tanque.


Para mantener el nivel del tanque de purga en su valor deseado se dispone de una

válvula de control en la extracción de agua al mismo. Mediante la extracción de

más o menos agua mantendremos constante el nivel en el punto deseado. Para

ello se usa el control PI simple de la Figura 5-13.


111

Figura 5-13. Control de nivel del tanque de purga

3.3 Control de nivel de agua de alimentación de calderas.

Consideraciones sobre las medidas.

La medida del nivel de calderín suele hacerse mediante transmisores de presión

diferencial (Figura 5-14). Esta medida está basada en la diferencia de presión

generada por las dos columnas conectadas al transmisor. La primera es una

columna fija o de referencia que mantiene una altura constante. La segunda será

la columna de agua y de vapor existente en el calderín.


112

Figura 5-14. Medida del nivel del calderín

La presión en el lado de alta del transmisor vendrá dada para los niveles mínimo y

máximo por:

Pnmin=Pc+h3*dr+h2*da+(h0-h2)*dv Pnmax=Pc+h3*dr+h1*da+(h0-h1)*dv

Y la de la columna de referencia por:

Pcr=(h3+h0)*dr

De forma que la calibración para el 0% será de Pnmin-Pcr y la del 100% de Pnmax

-Pcr.

Nótese, que el resultado de esta calibración será de –x a –y. Esto se debe a que se

suele preferir que la señal del transmisor aumente con el nivel.

El transmisor se calibrará de forma que su rango transmita un margen de trabajo

en torno al nivel normal para unas condiciones de operación nominales. Como

consecuencia, el peso de la columna de nivel variará si las condiciones de presión

en el calderín varían, al modificar éstas la densidad del agua y del vapor. Esta

variación de la densidad es mayor cuanto mayor es la presión de operación de

trabajo. Debido a esto, la medida de nivel para el control se suele corregir para

presiones superiores a 35 bares (Figura 5-15).


113

La presión del calderín con la caldera en operación se mantiene constante, y las

variaciones en dicha presión vendrán dadas por los cambios de carga, que con un

control de combustión correctamente ajustado no serán de una magnitud excesiva.

Esto conlleva que el cambio en la densidad tampoco será muy grande para las

calderas que trabajen a presiones no muy altas, y por tanto no habrá un error muy

grande en la medida de nivel. Sin embargo, trabajando a presiones altas o por

supuesto a presión variable o deslizante, esta modificación de la densidad si

puede introducir errores apreciables en la medida de nivel.

Figura 5-15. Corrección del nivel por presión

Algo similar ocurre con las medidas de caudal de vapor y agua. Cuando dichas

mediciones están basadas en medida de presión diferencial, ésta a su vez está

fijada en unas condiciones de presión y temperatura. Cuando estas condiciones

son modificadas, las mediciones deben ser corregidas al modificarse la densidad

del fluido y por tanto la masa de éste. En el caso del vapor, la corrección debe ser

hecha por presión y temperatura al influir ambas variables en la densidad de éste.


114

En el caso del agua suele ser menos habitual dicha corrección, y sólo cuando

puedan existir grandes variaciones en su temperatura, ésta se usa como factor de

corrección, al poder considerarse el agua un fluido incompresible y por lo tanto no

influido por la presión.

Objetivo.

Los principales objetivos del control de nivel en una caldera son los siguientes:

1. Controlar el nivel en el valor deseado.

2. Minimizar la interacción con el control de combustión.

3. Crear suaves cambios en el agua almacenada ante los cambios de carga.

4. Equilibrar adecuadamente la salida de vapor con la entrada de agua.

5. Compensar las variaciones de presión del agua de alimentación sin perturbar

el proceso ni modificar el punto de operación.

Particularmente importante es el minimizar la interacción con el control de

combustión. Esta interacción se acentúa con el suministro desigual de agua de

alimentación, que afecta a la presión de vapor y que conlleva modificaciones en la

demanda de fuego sin existir variaciones en la demanda de vapor. Estas

variaciones en el fuego de la caldera producen a su vez incrementos y

decrementos en la presión con las consiguientes perturbaciones en el calderín que

acentúan el problema.


El control de nivel de una caldera tiene varias particularidades debido su

especial comportamiento. Las principales son el esponjamiento y la contracción

que se producen en el nivel ante los cambios de carga de vapor, y que modifica el

nivel en la dirección opuesta a la que intuitivamente se espera que ocurra ante

dicho cambio de carga.


115

Así, ante un incremento en la demanda de vapor, el nivel en lugar de disminuir al

extraerse más vapor, se incrementa temporalmente debido a la disminución de la

presión provocada por el aumento de consumo. Esta disminución en la presión

provoca un aumento en la evaporación y en el tamaño de las burbujas de vapor

(esponjamiento) que hace aumentar el nivel. Por el contrario, ante una

disminución en la carga, en lugar de producirse un aumento en el nivel debido a

la disminución del caudal de vapor, se produce una disminución debida al

aumento de la presión.

Esta origina una menor evaporación y un menor tamaño en las burbujas de vapor

(contracción) que hace disminuir el nivel.

Figura 5-16. Relaciones deseadas agua-vapor

Para lograr los objetivos básicos mencionados, existe un patrón que indica la

relación deseable entre el caudal de agua, de vapor y el nivel del calderín (Figura

5-16). Cuando se incremente el caudal de vapor, se incrementará el caudal de agua

si no se ha producido un esponjamiento en el nivel. Un incremento en el nivel

producirá un decremento en el caudal de agua si no se ha incrementado el caudal

de vapor.


116

Si la influencia del nivel del calderín es muy grande, se producirá una disminución

en el caudal de agua, que provocará finalmente que el nivel sea excedido para

poder aportar esa pérdida de agua. Si la influencia del caudal de vapor es muy

grande, el incremento inicial de aportar más agua, mantendrá por más tiempo el

nivel por encima de su punto de consigna (Figura 5-17).

Figura 5-17. Influencias del nivel y del caudal de vapor

La acción correctora adecuada sería la mostrada en la Figura 5-16 en la que el

caudal de agua no cambia inmediatamente, sino gradualmente para acompañar al

caudal de vapor una vez que el nivel ha vuelto a su punto de trabajo tras el

transitorio.

Control a un elemento.

Por todo lo indicado, el típico control de nivel de un elemento que mide la variable

y regula el caudal de aportación o extracción mediante un controlador PI no es el

adecuado para el calderín de una caldera, aunque en aquellas calderas pequeñas

en las el calderín es relativamente grande, y en donde los cambios de carga se

producen de una manera lenta, de forma que la presión en el calderín no se ve muy

afectada por dichos cambios, se puede implementar este tipo de control de un

elemento como se muestra en la Figura 5-18.


117

En el ajuste de este lazo debe tenerse en cuenta que, aunque para lograr una

regulación mejor el valor de la ganancia puede tener que ser grande, esto

contribuiría a una mayor interacción entre el control de nivel y el control de

combustión (Figura 5-19). Por otra parte, el ajuste de la acción integral en el lazo

debe ser lento puesto que en los cambios de carga el control se mueve en la

dirección opuesta. Sin embargo, el incluir la acción integral nos permitirá

disminuir la ganancia minimizando la interacción con el control de combustión.

Figura 5-18. Control de nivel a un elemento

El elemento final de control debe tener una relación lineal con la señal de control

puesto que las desviaciones en torno al punto de consigna representan

cantidades, de agua específicas para toda la carga de caldera.


118

Si este elemento final es una válvula de control, la señal de apertura debe ser

lineal respecto al caudal entregado por la válvula. En el caso de que sea una

bomba de velocidad variable, se caracterizará la señal para conseguir

dicha relación lineal.

Control a dos elementos.

El diseño del control a dos elementos se muestra en la Figura 5-20. En ella puede

observarse el típico control feedback más feedforward.

Figura 5-19. Interacción con el control de combustión


119

Figura 5-20. Control de nivel a dos elementos

El caudal de vapor es la señal índice que anticipa una variación en las necesidades

de aportación de agua, de forma que se establecerá una relación entre éste y la

posición de la válvula. Por otra parte, para el correcto funcionamiento de esta

estrategia, es imprescindible que la relación entre la posición del elemento de

control y el caudal aportado por éste no cambie y sea conocida, de forma que para

unas condiciones de demanda de vapor dadas, sepamos en qué posición se ha de

situar el elemento de control. Con este diseño, los objetivos expuestos

anteriormente se cumplen, a excepción del de variaciones en la presión de

suministro del agua de alimentación, puesto que esto haría que la relación entre

posición y caudal variase.


120

Como hemos comentado, la respuesta deseada ante un cambio de carga es que se

mantenga el caudal de agua hasta que el nivel empieza a retornar a su punto de

trabajo, de forma que la cantidad de agua se ajusta suavemente al nuevo valor

requerido.

Puesto que en este diseño ante un aumento en el caudal de vapor, éste pedirá

más agua al tiempo que el nivel hará lo contrario, el ajuste adecuado de las

ganancias de estas acciones nos permitirá evitar cambios inmediatos en la

cantidad de agua y cumplir con el requisito expuesto anteriormente y mostrado en

la Figura 5-16. Así, teniendo en cuenta la relación entre el vapor y la posición de la

válvula, y la magnitud del esponjamiento ante un cambio en el caudal, se ajustará

la ganancia del regulador de nivel para que su salida compense exactamente el

incremento habido en aquél.

Figura 5-21. Efecto de la presión de suministro en dos elementos

Como hemos comentado ya, aunque este diseño cumple con la mayoría de los

objetivos requeridos para un correcto control del agua de alimentación, tiene un

gran inconveniente al no ser capaz de absorber las modificaciones en la presión de

suministro.


121

El efecto que la variación de la presión de suministro produce queda reflejado en

la Figura 5-21.

Esto conduce a que el nivel desarrolla una compensación para mantener la

relación agua-vapor. Cuando la presión en el agua de alimentación es variable, o

existen otros motivos que hagan la relación entre la posición del elemento de

control y el caudal aportado impredecible, es necesario usar un control a tres

elementos.

Control a tres elementos.

Hemos visto que en el control a dos elementos se utilizaban el nivel y el caudal de

vapor. Para conseguir un control de tres elementos añadiremos la medida del

caudal de agua de alimentación. Con ello, solucionaremos los problemas

planteados con anterioridad sobre la necesidad de repetibilidad en el elemento

final. Hay diversas formas de configurar un control a tres elementos. Aunque la

más extendida es la mostrada en la Figura 5-22, podemos ver otra alternativa en la

Figura 5-23.


122

Figura 5-22. Control de nivel a tres elementos

La primera alternativa surge directamente del control a dos elementos. La señal

que se enviaba al elemento de control, se usa ahora como consigna de un

regulador de caudal en cascada, eliminándose la influencia de la presión de

suministro. La segunda alternativa incluye también un regulador en cascada, pero

en este caso la salida del regulador de nivel marcará las necesidades de exceso o

defecto de agua con relación al vapor, siendo la diferencia entre los caudales de

éstos la variable de proceso del regulador de caudal.


123

Figura 5-23. Alternativa control de nivel a tres elementos

Las dos configuraciones vistas pueden presentar problemas a bajas cargas por

las limitaciones de las medidas de caudal. Una solución muy extendida para este

problema, es la conmutación del control de agua de alimentación de uno a tres

elementos de forma automática a partir de un caudal mínimo de vapor que suele

estar entorno al 20%, valor para el cual las medidas son más fiables (Figura 5-24).

En el ajuste del lazo típico de tres elementos se seguirán las pautas

indicadas anteriormente en el de dos para el ajuste del regulador de nivel y el

caudal de vapor. El ajuste del regulador de caudal se hará mediante el

procedimiento habitual para cualquier lazo de este tipo.


124

Figura 5-24. Control a uno y tres elementos

Adecuadamente ajustado, el funcionamiento de un control de nivel a tres

elementos debería tener una apariencia similar a la de la Figura 5-25.

Como se observa, las variaciones en la presión del agua de alimentación son

absorbidas por la acción del regulador secundario.


125

Cuando estas variaciones sean de un rango tan importante que puedan complicar

el ajuste de dicho regulador secundario, sería adecuado modificar la ganancia de

éste en función de la presión del suministro para conseguir las mismas respuestas

en caudal para las distintas condiciones de presión. Esto nos incluiría un

cuarto elemento en el lazo como se muestra en la Figura 5-26.

Figura 5-25. Respuesta del control de tres elementos


126

Figura 5-26. Ganancia variable por presión de suministro

Otra posible causa para la utilización de un cuarto elemento en el lazo, es el caso

en que la purga continua de la caldera pueda tener una magnitud relevante con

relación al caudal de vapor. Este hecho generaría la introducción de un desajuste

permanente en el regulador de nivel, que compensaría la desviación entre las

medidas de caudal. Para evitarlo se introducirá el caudal de purga como se indica

en la Figura 5-27.


127

Figura 5-27. Inclusión del caudal de purga

En calderas en las que los cambios de carga son muy rápidos, se puede afinar el

equilibrio agua-vapor mediante el uso de la presión del calderín. El equilibrio

agua-vapor que hemos visto, está basado en la medida de vapor principal que sale

de la caldera. Esta medida no considera lógicamente el vapor generado o

sustraído a la caldera, que contribuye al aumento o disminución de la presión. Sin

embargo, la generación de este vapor conlleva un consumo de agua. Este vapor se

puede indicar mediante la derivada de la presión del calderín como se muestra en

la Figura 5-28.


128

Figura 5-28. Alternativa a la medida de caudal de vapor

Una variación de este diseño se utilizará en el caso de que la caldera opere en

presión deslizante o variable. La densidad del agua en el calderín varía con la

variación de presión y por lo tanto la relación entre la derivada de la presión del

calderín y el caudal de vapor expuesta anteriormente queda también modificada.

Para tener esto en cuenta se puede multiplicar la derivada por el cuadrado de la

presión de forma que la relación se mantiene para el rango de presión de

operación (Figura 5-29).

La operación con presión variable también modifica la densidad de la mezcla agua

vapor en circulación por la caldera. Dicha circunstancia puede modificar de forma

notable el comportamiento de la caldera en cuanto a sus reacciones de

esponjamiento y contracción, por lo que pudiera ser necesario el reajuste de la

ganancia del controlador de nivel de acuerdo con la presión de operación.


129

Figura 5-29. Alternativa para presión deslizante

Enclavamientos.

En el control a tres elementos, cuando el controlador secundario está en manual o

en modo local (si existe) el primario debe estar en manual. Otra opción es

mantener el controlador primario en modo seguimiento de forma que su salida sea

igual a la variable de proceso del secundario, de forma que el paso a automático o

a consigna remota del secundario haga entrar en control directamente al primario.


si se permite o no el control con consigna local en el secundario. En el caso del

control mixto de uno y tres elementos, además de lo indicado anteriormente

se debe enclavar el cambio automático de los dos modos de operación con la señal

de caudal de vapor > 20%. La salida al elemento de control del modo no

seleccionado debe estar en modo seguimiento de la que está seleccionada para

que los cambios entre ambos modos de operación se produzcan sin saltos.


130

Cuando es la salida de la regulación de tres elementos la que está en modo

seguimiento, la salida de su regulador primario estará siguiendo a la variable

de proceso del secundario, para que todo el lazo esté preparado para entrar en

control.

3.4 Control de temperatura del vapor de calderas.

Objetivo.

Existen calderas cuya producción es vapor saturado, de tal forma que la

temperatura del vapor viene marcada por la presión de operación, pues son

variables directamente relacionadas.

También existen calderas en las que el vapor es sobrecalentado de forma ligera

para su mejor conducción o consumo, pero que se dimensionan de forma que las

modificaciones en la temperatura del vapor no sean importantes de cara al

consumidor. Sin embargo, hay gran cantidad de calderas en las que el vapor

generado ha de estar a una cierta temperatura, que asegure el correcto

funcionamiento de sus consumidores. En estos casos, en los que normalmente el

grado de sobrecalentamiento es mayor, la imposibilidad de diseñar la caldera

para que en todas las cargas requeridas produzca el vapor a la temperatura

deseada, obliga a controlar ésta de forma que se mantenga dentro de los

márgenes de operación deseados.


Existen distintos métodos de control de la temperatura del vapor, algunos

basados en mecanismos de control de la parte gases y otros en la parte de agua de

la caldera. Los primeros son típicos de calderas de centrales térmicas y su uso en

calderas industriales es poco frecuente por lo que no nos detendremos en ellos.


131

Los segundos, más extendidos, consisten en atemperar el vapor bien mediante la

inyección directa de agua (Figura 5-30), bien mediante el uso de un intercambiador

de calor agua-vapor (Figura 5-31). El primer método desde un punto de vista de

control tendrá una constante de tiempo menor y su respuesta será más rápida. Sin

embargo, al introducir agua en el vapor la calidad de éste vendrá modificada por

aquélla. En el segundo caso esta posible contaminación del vapor no existe, pero

la respuesta del sistema y por tanto su constante de tiempo será mucho mayor,

con los inconvenientes que esto puede originar al proceso y al ajuste del sistema

de control.

Figura 5-30. Atemperación por spray

Figura 5-31. Atemperación por intercambiador de calor


132


En pequeñas calderas en donde la carga permanece constante o con cambios

lentos, o en aquellas en las que la cantidad de sobrecalentamiento no se modifica

de forma demasiado notable con la carga, el uso de un control PI simple como el

de la Figura 5-32 puede dar resultados satisfactorios.

Figura 5-32. Control de temperatura de vapor a un elemento

Si la temperatura sube la válvula abre para aportar más agua, y viceversa.


133

Sin embargo, en la mayoría de las instalaciones este tipo de control no será

suficiente para mantener la temperatura del vapor en los márgenes exigidos.


Este tipo de diseño se basa en un control feedforward más feedback. El caudal de

aire de combustión nos da la magnitud de la demanda de fuego en la caldera, así

como del volumen de gases que se envían al sobrecalentador, por lo que será un

buen índice que nos anticipe la posición de la válvula de spray. La temperatura del

vapor será lógicamente la variable realimentada (Figura 5-33), cuyo error corregirá

la posición demandada.


134

Figura 5-33. Control de temperatura de vapor a dos elementos

Si por algún motivo el caudal de aire no se pudiera utilizar como índice, el caudal

de vapor puede ser utilizado en su lugar aunque en situaciones transitorias

pudiera no ser tan indicativo para el control de la temperatura del vapor.

Una alternativa a este control de dos elementos es la basada en un control en

cascada como el de la Figura 5-34.


135

Figura 5-34. Control en cascada de temperatura de vapor a dos elementos

En este control, la temperatura final de vapor se utiliza como variable de proceso

del regulador primario y una medición de la temperatura a la salida del spray se

utiliza como la variable de proceso del regulador secundario. Con esta nueva

medición, las modificaciones en el caudal de atemperación tendrán un reflejo más

inmediato en el control por lo que el ajuste del regulador secundario puede

hacerse para proporcionar una respuesta bastante rápida. Como en todo lazo en

cascada el ajuste del regulador primario deberá ser más lento, para dar tiempo a

la correcta regulación en el secundario y evitar que se sature.


136

Como la atemperación no es necesaria normalmente hasta una determinada carga

de caldera, suele ser habitual que exista una válvula de corte aguas arriba de la

válvula de control para evitar que ésta trabaje como tal, sobre todo si la presión en

Se podría decir como idea general, que la elección de la primera estrategia vendrá

condicionada por la existencia o no de un índice adecuado para el correcto

posicionamiento de la válvula de control. En aquellas instalaciones en las que este

índice no está disponible o la atemperación es similar en todo el rango de

operación, la segunda opción suele ser aconsejable.

Control a tres elementos.

Como hemos comentado un handicap para el uso del control en cascada puede ser

el que exista una gran diferencia en las posiciones de la válvula de control para

las distintas cargas de caldera. Este problema se puede paliar mediante la

inclusión del caudal de aire de combustión como tercer elemento en este lazo

(Figura 5-35).


137

Figura 5-35. Control de temperatura de vapor a tres elementos

La derivada del caudal de aire se utilizará como señal anticipativa para modificar

la posición de la válvula ante los cambios de carga, mientras que en situaciones de

régimen permanente no tendrá influencia.


138

Otra posibilidad del diseño con tres elementos es la de la Figura 5-36.

Figura 5-36. Alternativa de control de temperatura de vapor a tres elementos


139

Esta configuración lo que hace es aunar los dos diseños expuesto para el control

con dos elementos, de forma que el caudal de aire se utiliza como índice de la

posición de la válvula y se corrige por los errores en temperatura, ya sean en la

final o en la de salida del spray.

Las consideraciones dadas para el ajuste del control de dos elementos son

evidentemente válidas para éste.

Cuando se dispone de la medida del caudal del spray se puede usar éste como

elemento adicional para un control de caudal (Figura 5-37) que asegure el correcto

funcionamiento de los índices independientemente de la repetibilidad del

elemento de control, como ya se vio en el control de nivel (ver apartado 5.3)


140

Figura 5-37. Control de temperatura de vapor con caudal de spray

Obviamente el colocar en cascada tres reguladores implica complicaciones de

ajuste, además de la inclusión de demoras no deseadas en el lazo, que hacen de

este diseño solo aconsejable en situaciones particulares.

Enclavamientos.

En los controles en cascada, cuando el controlador secundario está en manual o en

modo local (si existe) el primario debe estar en manual.


141

Otra opción es mantener el controlador primario en modo seguimiento de forma

que su salida sea igual a la variable de proceso del secundario, de forma que el

paso a automático o a consigna remota del secundario haga entrar en control

directamente al primario.



Se dará orden de apertura y cierre de la válvula de corte cuando la demanda

supere un 3% y se reduzca por debajo de un 1% respectivamente.

5.5 Control de la demanda de una caldera.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es generar una señal de demanda de carga para los

quemadores que mantenga el equilibrio entre la energía entregada y suministrada

por el sistema.

Al mantener este equilibrio se asegurara una producción de vapor en las

condiciones de operación necesarias para todo el rango de funcionamiento.


La demanda de una caldera la generan los usuarios del vapor. Cuando los

consumidores abren sus válvulas demandando más vapor (energía), el aumento en

el caudal provoca que la presión de éste caiga. La magnitud de la caída de la

presión depende del volumen de agua, del de vapor, de la magnitud del cambio en

la demanda y de la demanda en sí.


142

El colector de vapor es el punto en el que se establece el equilibrio entre la

energía demandada por los usuarios del sistema y la energía entregada al sistema

por el combustible y el aire.

Para un caudal de vapor dado, que la presión en el colector permanezca constante

indicará que existe un equilibrio entre la energía suministrada y la demandada.

Por otra parte, podremos decir que existe una relación 1:1 entre el caudal de vapor

y de energía sólo cuando las condiciones de presión y temperatura del vapor no

sufren variaciones considerables. Sobre estas premisas se puede establecer lo

siguiente:

- La demanda de vapor = caudal de vapor + error en presión.

- El suministro = combustible + aire + agua + el cambio de energía almacenada en

el sistema.

- El consumo = vapor de los consumidores.

- El punto de balance será el colector de vapor.

- La presión se mantendrá en su consigna cuando el consumo sea igual al

suministro siendo constante la energía almacenada.

- Un aumento en la presión significará que el suministro es superior al consumo.

- Un descenso en la presión significará que el consumo es superior al suministro.


La estrategia de control más simple para generar la demanda de carga es un lazo

PI simple como el que se muestra en la Figura 5-38.


143

Figura 5-38. Control de demanda de carga

La variable de proceso del controlador será normalmente la presión de vapor en el

colector, pues como se ha dicho es indicativa del equilibrio de energía, aunque en

algunas instalaciones ésta puede ser sustituida por el caudal de vapor. El objetivo

de este cambio es que la caldera suministre una cantidad de vapor fija mientras

otras calderas al mismo colector mantienen la presión. También se puede

establecer un control alternativo, basado bien en caudal bien en presión, mediante

la implementación de una función de transferencia manipulable por el operador

(Figura 5-39).

La salida del controlador es lo que se llama demanda de carga o de fuego y su

correcta generación es de vital importancia al ser ésta la señal master que usarán

los controles de aire y combustible. Por este motivo, a este regulador se le suele

llamar Master. Por la importancia que tiene sobre el rendimiento y el buen

funcionamiento de la caldera, se suelen usar otras configuraciones más complejas

que proporcionan señales de carga más precisas, lo que conlleva mejoras en el

control de la presión del vapor.


144

Figura 5-39. Control de demanda alternativo caudal-presión


El uso de una estrategia de control feedforward más feedback es muy corriente. El

diseño más habitual en este tipo de estrategia se muestra en la Figura 5-40.


145

Figura 5-40. Control de demanda a dos elementos

El caudal de vapor se usa como señal índice de la demanda de carga y marcará

directamente la demanda de combustible necesaria en cada momento, de forma

que ante una variación en el caudal la demanda de carga se situará en el correcto

punto de funcionamiento para las nuevas condiciones. Como resultado, cualquier

variación en la demanda de vapor tendrá una respuesta inmediata en la aportación

de combustible al sistema. Esto producirá una pérdida de energía almacenada

menor, que consecuentemente se traducirá en una menor pérdida de presión del

sistema.

La presión del vapor se usa como realimentación del regulador master, cuya salida

proporciona el necesario exceso/defecto de fuego para el ajuste de la energía

almacenada, modificada durante los cambios en la carga. Puesto que el peso en la

señal de demanda de carga de la salida del regulador no tiene esencialmente

efecto en condiciones de régimen permanente, el controlador será de naturaleza

principalmente proporcional, aunque la imposibilidad de obtener un índice

perfecto obligará al uso de una pequeña acción integral.


146

Nótese, que el caudal de vapor debe ser la suma ponderada, de acuerdo con su

capacidad, de los caudales de vapor de todas las calderas involucradas en el

control, de forma que la señal represente correctamente la necesidad total de

energía.

Una alternativa a este esquema es aquélla en que las señales de caudal y presión

de vapor intercambian sus funciones como se muestra en la Figura 5-41.

Figura 5-41. Alternativa de control de demanda a dos elementos

En este caso la derivada de la señal de caudal se ajustará para proporcionar el

exceso/defecto de fuego deseado en los transitorios, mientras que el regulador de

presión proporcionará la señal necesaria durante el régimen permanente.

Aunque la elección de un diseño u otro depende del usuario, cabría indicar que

esta segunda alternativa sería más adecuada en los casos en que exista una caída

de presión alta entre el colector y la caldera.


147

En estos casos, ante un aumento en la demanda de vapor, la caída de presión en el

colector será aún mayor debido al déficit de presión sufrido también en la caldera.

Por un lado existirá una caída de presión debida a que el consumidor desea más

vapor, y por otro lado existirá un déficit de presión en la caldera, pues para poder

entregar el nuevo caudal será necesaria una presión superior en ella.

Una tercera alternativa basada en la primera sería la representada en la Figura 5-

42.

Figura 5-42. Control de demanda con compensación automática

Esta nueva alternativa añade al diseño una compensación automática para las

variaciones en el poder calorífico de los combustibles. Si en condiciones de

régimen permanente la aportación de calor a la caldera aumenta, la presión de

vapor empezaría a aumentar.


148

Como consecuencia, el caudal aumentaría haciendo que la señal de anticipo

aumentara y por lo tanto inhabilitando la corrección del regulador de presión, e

incluso superando ésta y demandando erróneamente más combustible. Con este

diseño, la integral del error en presión corregiría la señal de demanda de forma

que la acción correctora del regulador de presión consigue el efecto deseado,

estableciéndose de forma dinámica una nueva relación entre el caudal de vapor y

la demanda de fuego.

Cuando el error en presión se debe en realidad a modificaciones en la demanda de

vapor esta acción correctora queda anulada. La derivada del caudal servirá como

interruptor automático para que la corrección actúe o no.

Reparto de cargas entre múltiples calderas.

La demanda de carga generada por el control master debe incrementar o

decrementar la demanda de combustible y de aire para todas las calderas

conectadas a un colector. La forma más sencilla de repartir las cargas entre las

distintas calderas, es la de dejar al operador decidir sobre dicho reparto. Para ello,

la demanda master de carga se envía a una estación auto/manual que incorpora la

función bías, realizando estas estaciones las funciones de master en cada caldera.

De esta forma, el operador puede fijar la demanda de cualquier caldera en manual

o dejar que ésta sea gobernada por el master de planta, y balancear las cargas

entre las distintas calderas con la ayuda de los bías (Figura 5-43).


149

Figura 5-43. Control de demanda para múltiples calderas

Con esta disposición existen diversos inconvenientes:

- El master de caldera se ajusta para el supuesto de que todas las calderas van a

trabajar en automático. Si se añadieran o eliminarán calderas del sistema

obligaría a un reajuste de los parámetros del regulador para mantener la ganancia

adecuada en el sistema.

- Si alguna caldera que está trabajando en manual modifica su carga, el sistema

no responderá bajando carga en las otras hasta que no se produzca una variación

en la presión, lo cual conlleva, además de tiempo, desviaciones no deseadas. El

caso extremo de este ejemplo sería la puesta en servicio o disparo de una de las

calderas.


150

Para solucionar estos problemas se puede introducir una variante como la que se

muestra en la Figura 5-44. En ella, se incorpora un regulador de compensación

cuya consigna será la demanda de carga. Adicionalmente, a la salida de las

estaciones se añade un sumador cuya salida será la suma ponderada de las cargas

de cada caldera, de acuerdo con los pesos relativos de cada una de sus

producciones. La salida del sumador será la variable de proceso del regulador de

compensación.

Figura 5-44. Compensación automática de la demanda

Con este diseño se consigue una compensación automática independientemente

del número y tamaño de las calderas. Por otra parte, si una caldera está en manual

y modifica su demanda, inmediatamente la salida del sumador variará

proporcionalmente, provocando que la salida del regulador se reajuste a la nueva

situación inmediatamente. Si una caldera es disparada, forzando la salida de su

estación auto/manual a 0 % se conseguirá la compensación automática e

inmediata del sistema ante un disparo.


151

En algunas instalaciones se puede preferir no dejar en manos del operador la

decisión de la distribución de cargas entre las calderas. Un método muy sencillo

de hacer esta distribución en automático se muestra en la Figura 5-45.

Figura 5-45. Distribución automática de carga entre calderas

En este diseño se incluye un generador de función antes de las estaciones

auto/manuales. Este generador de función se establecerá en base a una serie de

pruebas efectuadas que definen que distribución de cargas es la más correcta para

las distintas producciones.

Si se dispone de algún tipo de cálculo que permita evaluar el costo de la

generación de la energía para cada una, y que puede ser utilizado en línea, se

puede trabajar con la disposición de la Figura 5-46, en donde este cálculo será

utilizado como señal de bías, positivo o negativo, para distribuir la carga de las

calderas de acuerdo con dicho costo.


152

Limitaciones de carga.

Aunque son casos más habituales en calderas de centrales para la generación de

energía, puede darse también en este tipo de calderas la circunstancia de que

existan una serie equipos que trabajen en grupos y no estén dimensionados para

dar por si solos la carga nominal. Tal puede ser el caso de dos ventiladores del 50

o 60%, de dos bombas de agua, etc.

En estos casos, a fin de que el sistema de control impida que la demanda de fuego

sea superior a aquélla que se puede alcanzar con los equipos en operación, se

debe limitar la señal de demanda al máximo valor disponible como se ha

mostrado para la caldera 1 en la Figura 5-46.

Enclavamientos.

Cuando todas las estaciones auto/manuales están en manual el controlador

master y el de compensación estarán en modo seguimiento, de forma que ante el

cambio a automático de una de las estaciones el sistema entre directamente en

control.

Cuando se establece un límite por disponibilidad de carga los controles aguas

arriba individuales de cada caldera deben estar en modo seguimiento.


153

Figura 5-46. Distribución de carga entre calderas basada en el costo

5.6 Control de combustión en calderas.

Objetivo.

De acuerdo con los requerimientos de la NFPA 8502, un sistema de control de

combustión debe cumplir, entre otros, con los siguientes requisitos de diseño(1):

- El control de combustión debe mantener la relación aire-combustible en un

rango que asegure una combustión continua y una llama estable en todas las

condiciones de operación.

- La demanda de combustible no debe incrementar nunca el caudal de

combustible por encima del de aire.

- La demanda de combustible no debe nunca exceder la capacidad de los

ventiladores en servicio.


154

- Cuando se queman múltiples combustibles, se totalizarán basándose en sus

poderes caloríficos.

- La aportación de calor a una zona o quemador no debe exceder los límites

especificados.

(1) Al objeto de permitir sistemas de control sencillos para calderas pequeñas,

aunque son recomendables, no todos estos requisitos aplicaran a calderas de un

quemador.

Bajo estas premisas, los objetivos principales del control de combustión son los

siguientes:

- Mantener los caudales de aire y combustible de acuerdo con la demanda de

carga de la caldera, para entregar al sistema la energía requerida para el

suministro del caudal de vapor deseado, manteniendo el equilibrio energético.

- Mantener una relación entre los caudales de aire y combustible que asegure que

existe oxígeno suficiente para que la combustión se produzca de forma completa y

segura.

- Mantener, dentro de los requisitos del punto anterior, un exceso de aire mínimo

que permita conseguir los mayores niveles de eficacia posibles.

- Mantener las demandas a los distintos quemadores dentro de los límites de su

capacidad de operación, asegurando con ello el correcto funcionamiento de éstos.


Existen muchos diseños posibles para el control de la combustión, en gran parte

debido a la gran variedad de combustibles que se pueden utilizar en las calderas.

Los diseños explicados de aquí en adelante estarán basados en el supuesto de

que los combustibles sean del tipo gaseoso o líquido cuyo suministro a la caldera

se hace mediante válvulas de control.


155

Los sistemas de control de la gran mayoría de las calderas actuales son controles

analógicos que incluyen las medidas de todas las variables principales del

proceso. Sin embargo, para pequeñas calderas, normalmente de un quemador, se

pueden utilizar sistemas de control más simples.

Control por posicionamiento.

Este tipo de control se basa en el posicionamiento de las válvulas de control y de

la compuerta del ventilador de acuerdo con la demanda del regulador master. En

este tipo de control no existen medidas ni de combustible ni de aire, sino que

basándose en las mediciones realizadas durante la puesta en servicio del equipo

se hacen los ajustes necesarios para fijar la posición de los equipos de acuerdo

con la demanda.

La forma más sencilla de este tipo de control es usando un elemento de control

(Single Point Positioning) manejado por el regulador master que rota un eje

(jackshaft) que modifica las aperturas de las válvulas de control y de los álabes

del ventilador (Figura 5-47) a los que está mecánicamente unido.

Figura 5-47. Control por posicionamiento (SPP)


156

El sistema se ajusta haciendo lineal la señal de demanda con la entrega de caudal

de aire, al tiempo que el combustible se ajusta para coincidir con dicho aporte de

aire. En la Figura 5-48 se muestra otra forma de control por posicionamiento en la

que no existe ya el enclavamiento mecánico, sino que se envían órdenes en

paralelo (Parallel Postioning) a los actuadores del combustible y del aire. En este

control se puede ajustar la relación entre el aire y combustible e incluso

establecer una corrección por oxígeno (Figura 5-49).

Obviamente, este tipo de control tiene muchos inconvenientes. Las variaciones en

la temperatura o presión de los combustibles o las variaciones en la temperatura,

presión o humedad del aire, que conllevan distintos caudales para las mismas

posiciones de válvula, producirían serias variaciones en la relación aire-

combustible. Además la precisión del sistema al carecer de medidas es deficiente.

Figura 5-48. Control por posicionamiento en paralelo (PP)


157

Figura 5-49. Control por posicionamiento en paralelo (PP)

Control realimentado.

Estas deficiencias se resuelven utilizando un diseño (Figura 5-50) en el que las

medidas del caudal de combustible y de aire se utilizan como realimentaciones

para mantener dichas variables en sus puntos de consigna requeridos.


158

Figura 5-50. Control realimentado de combustible

Con este diseño la relación lineal necesaria entre el caudal de aire y combustible

se hace en la medida del aire. Además se puede poner a disposición del operador

una estación manual que le permita modificar la relación aire-combustible.

Otras variaciones de este diseño son las que se muestran en las Figura 5-51 y

Figura 5-52.

En la primera de ellas la demanda de carga se envía como consigna del regulador

del caudal de aire y la salida de éste como consigna del de combustible.


159

En la segunda se hace lo contrario, la señal de demanda se envía como consigna

del regulador de combustible y la salida de éste como consigna del de aire.

Figura 5-51. Control de combustión. Combustible sigue a aire

Sin embargo, estos diseños siguen siendo deficitarios desde un punto de vista de

la seguridad, al no asegurar para todas las condiciones de operación la cantidad

de aire suficiente para la correcta combustión.

Si por ejemplo existe un incremento en la demanda de carga, en el caso de la

Figura 3-51, se aumentaría el aire y luego el combustible, pero en la Figura 5-52,

aumentaría el combustible y luego el aire, lo cual obviamente es peligroso.


160

Por el contrario, si existiese una bajada en la demanda, en la Figura 5-52 se

bajaría primero el combustible y luego el aire, pero en la Figura 5-51, disminuiría

antes el aire que el combustible, lo cual también es peligroso.

Como se ve, un diseño en un caso y el otro en el contrario resultan peligrosos al

poder reducirse la relación aire-combustible por debajo de su valor de seguridad.

En el diseño de la Figura 5-50 ante cualquier fallo en el posicionamiento se podría

producir esta situación.

Figura 5-52. Control de combustión. Aire sigue a combustible


161

Con el fin de aumentar el nivel de seguridad en la relación aire-combustible y

acabar con el problema expuesto se utiliza el diseño de la Figura 5-53 que se

conoce normalmente como límites cruzados.

Con esta disposición, la demanda de carga de caldera se filtra a través de unos

selectores de máxima y mínima, en donde es comparada con el caudal total de

combustible y aire respectivamente. La salida del selector de máxima se envía

como consigna del regulador de aire, y la del de mínima como consigna del de

combustible.

De este forma, ante un aumento en la demanda de carga, es el caudal de aire el

que primero se incrementa y según lo va haciendo se incrementa el de

combustible. Cuando por el contrario, se produce una disminución en la demanda

de carga, es el caudal de combustible el que se reduce en primer lugar y el de aire

lo va haciendo en la medida en que lo hace aquél. Igualmente, si por cualquier

motivo se produce una disminución en el caudal de aire, o un aumento en el

de combustible inesperado, los selectores actúan de forma que el caudal de aire

se ajusta inmediatamente. Así se asegura que en todo momento el caudal de aire

existe, al menos, en la cantidad necesaria para asegurar una combustión

completa.


162

Figura 5-53. Control de combustión con límites cruzados

5.6.1 Control del caudal de combustible.

La demanda de combustible, procedente del selector de mínima, se acondicionará

dependiendo de la configuración del sistema de combustibles. Dentro de las

múltiples configuraciones que éste puede presentar destacaremos las siguientes

posibilidades:

a) Un combustible.

b) Dos combustibles con uno de ellos en carga fija sin control.

c) Dos combustibles indistintamente.

d) Dos combustibles con selección de la relación entre ellos.


163

e) Dos combustibles con uno de ellos prioritario según disponibilidad.

f) Consideraciones de acuerdo con el número y tipo de quemadores en servicio.

A continuación se explican en detalle.

a) En el caso de una caldera con un único combustible, la señal de demanda se

enviará como consigna de un lazo PI simple como el que se muestra en la Figura 5-

54. Si el caudal supera la consigna, la válvula cerrará, y viceversa. El ajuste de

este regulador se hará siguiendo las pautas del de cualquier regulador de caudal.

Figura 5-54. Control de combustión para un combustible


164

En el caso en que el combustible tenga recirculación permanente, hay que

considerar que cantidad de combustible está recirculando para no considerarlo en

el cómputo, tanto del regulador de caudal como en el de la señal al límite cruzado.

La válvula de control de caudal puede estar situada en estos casos en el retorno,

con lo cual la acción del regulador deberá ser directa en lugar de inversa.

b) Cuando existe un combustible que aporta una cantidad de calor fija a la

caldera, esta aportación fija se puede restar de la demanda de combustible y

enviar el caudal del combustible como variable de proceso al regulador de caudal.

También podemos enviar como consigna la demanda de combustible directamente

y usar como variable de proceso la salida del sumatorio. En ambos casos, el aporte

de calor entregado por el combustible fijo debe sumarse al caudal suministrado

por el combustible controlado, basándose en sus poderes caloríficos y sus

necesidades de aire, de forma que sea considerado en los límites cruzados para la

demanda de aire (Figura 5-55).


165

Figura 5-55. Un combustible sin control

c) La Figura 5-56 muestra la configuración en el caso de que lo que se quiera sea

quemar indistintamente dos combustibles. Los caudales de ambos combustibles

se totalizan combinando los efectos de la diferente aportación calorífica, las

diferentes necesidades de aire y el diferente exceso de aire permitido.

Suponiendo que el primer combustible entrega un caudal de a kcal/hr y el

segundo de x, que el primero necesita b kg/hr de aire y el segundo y, y que el

primer combustible requiere un c % de exceso de aire por un z % del segundo, el

cálculo de la suma vendría dado por caudal 1+k* caudal 2 siendo

K=(a/x)(b/y)(c/z). Cuando existen más de dos combustibles, se usará siempre el

mismo combustible como base para las relaciones del resto.


166

Figura 5-56. Dos combustibles indistintamente

Esta configuración será adecuada cuando el sistema queme dos combustibles pero

no de forma simultánea, puesto que la ganancia del sistema sería doble si el

regulador se ha ajustado con uno en funcionamiento y la mitad si se ajusta con los

dos y sólo hay uno. Cuando se quiere quemar dos combustibles simultánea e

indistintamente se debe considerar que la aportación total no debe variar. Para

ello se puede utilizar la configuración de la Figura 5-57 en la cual la señal de

demanda a las válvulas se parte en la relación deseada. Así la señal de demanda

total se multiplica por la relación deseada para uno de los combustibles y la salida

de esta multiplicación se resta de la demanda total para generar la demanda

al otro combustible. De esta forma, la demanda total no sufre modificación.


167

Figura 5-57. Dos combustibles en relación

De forma análoga a lo que vimos anteriormente en la generación de la señal de

demanda de carga de caldera, el problema que existe en esta configuración es que

ante el disparo de uno de los combustibles el sistema no reacciona

adecuadamente. Para solucionar este problema se procederá de la misma forma,

como se muestra en la Figura 5-58.


168

Figura 5-58. Dos combustibles con compensación

Los pesos de las distintas señales en el sumador se darán de acuerdo con las

capacidades de las válvulas de control respectivas.

d) Cuando lo que se requiere es establecer una relación de caudales por motivos

de costo u otros cualesquiera, se utilizará la configuración de la Figura 5-59.


169

Figura 5-59. Alternativa a dos combustibles en relación

En esta disposición la suma de los caudales se usará sólo en el límite cruzado

mientras que cada caudal individualmente se enviará a su respectivo regulador PI

como variable de proceso. Las señales de consigna de cada uno de los reguladores

se obtienen de partir la señal de demanda total mediante una estación manual que

establece la relación deseada. Para que no existan perturbaciones en la carga ante

posibles disparos de alguno de los combustibles, la salida de la estación manual

que marca la relación deberá contemplar las distintas posibilidades, de forma que

dicha relación esté de acuerdo con la máxima disponibilidad presente en cada

combustible.


170

e) Existen muchas instalaciones en las que en los distintos procesos de

fabricación se generan diferentes tipos de combustibles de rechazo, que suelen

ser aprovechados mediante su combustión. Habitualmente, por motivos

medioambientales y económicos es prioritario que dichos combustible se quemen

de forma continua de acuerdo con su disponibilidad. La Figura 5-60 muestra la

configuración del lazo para este tipo de particularidad.

Figura 5-60. Un combustible prioritario por disponibilidad


171

La señal que nos indica la disponibilidad es en este caso obtenida de un regulador

PI que utiliza como variable de proceso la presión en el colector de suministro del

combustible de rechazo.

Esta señal se podría obtener igualmente de una señal de nivel de un tanque,

etc.. De acuerdo con la estrategia global utilizada, la salida del regulador de

disponibilidad se enviará directamente a su válvula de control y tras restarse de la

demanda total de combustible se enviará directamente a las válvulas de control de

los otros combustibles, o se enviará como consigna de su regulador y la resta tras

filtrarse por la relación de combustibles deseada se enviará a las consignas de los

reguladores del resto de combustibles (Figura 5-61)

Figura 5-61. Alternativa a un combustible prioritario

f) En todas las configuraciones vistas hasta el momento, no se ha tenido en cuenta

en modo alguno el número de quemadores con el que cuenta la caldera.


172

Como consecuencia, ante el disparo de un quemador y puesto que la demanda de

combustible no se modifica por ello, los otros quemadores absorberán la carga del

quemador disparado. Esto puede llevar a que se sobrepasen los límites de

aportación de calor soportados, bien por el equipo, bien por determinada zona de

la caldera. El problema obviamente se agrava cuando el número de quemadores

no es muy grande. Si suponemos una caldera de cuatro quemadores en la que

cada uno aporta un 25 % de caudal, el disparo de uno de ellos con la caldera a

plena carga, hará que cada uno de los tres quemadores que permanece en servicio

aumente su carga en un 8,3 %, pudiendo originar problemas de longitudes de

llama, de calentamiento puntual de tubos, etc.

Para solucionar este problema se puede usar una configuración como la que se

muestra en la Figura 5-62. La demanda de carga se limita de acuerdo con el

número de quemadores de cada tipo que están en servicio. Sin embargo, esto no

será suficiente cuando existe la posibilidad de quemar dos o más combustibles en

el mismo quemador. Para no sobrepasar la capacidad individual de cada

quemador cuando más de un combustible está en servicio, se limita la capacidad

del combustible presente en menos número de quemadores, de forma que la suma

de ambos combustibles no sobrepase la capacidad de 25 % en un quemador.

Supongamos que tres quemadores de fuel oil están encendidos y uno de ellos

quema además gas, siendo la demanda de 75% y la relación requerida del 25% de

gas. En estas condiciones la demanda de fuel oil será de un 56.25 % (75*.75) y la

de gas 18.75 %. Al haber tres quemadores de fuel oil en servicio la carga de cada

uno será de 18.75 %, con lo que el quemador que está quemando mixto tendría una

carga del 37.5 %. Al aplicarse los límites por quemador, el gas quedará reducido a

una carga máxima de 6.25 % (25-18.75) de forma que no se sobrepase el límite.

Otra posible circunstancia a tenerse en cuenta para limitar su repercusión, es

la descompensación de carga entre los distintos niveles de quemadores.


173

En gran parte de calderas industriales a las que se refiere este curso, la aportación

de aire a los quemadores se modula de forma global a todos los quemadores de

acuerdo con la carga.

Como consecuencia, si existiese un desequilibrio grande en la aportación de

combustible a los quemadores, conllevaría el que parte de ellos estuviesen

quemando con un gran exceso de aire y otros por el contrario con un gran defecto

de aire. Esto puede pasar cuando se queman más de un combustible pero no se

hace en todos los quemadores, o cuando un nivel está quemando un combustible

en manual y el otro trabaja en automático con el otro combustible.

Figura 5-62. Limitación en función de los quemadores

5.6.2 Control del caudal de aire.

Para el control del caudal de aire a la caldera se utiliza la estructura típica de un

lazo de control PI simple como el que se muestra en la Figura 5-63.


174

La medida del caudal de aire se caracteriza mediante el f(x) para las necesidades

de los combustibles existentes, de forma que exista una relación lineal 1 a 1 entre

combustible y aire, incluyendo la combustión mixta si existe.

La señal de consigna del regulador será la procedente del selector de máxima

entre la demanda y el caudal de combustible, tras filtrarse por un límite de mínima

del 25% que asegure una velocidad mínima del aire a través de la caldera. La

variable de proceso será el caudal de aire tras hacerlo lineal con respecto al

caudal de combustible. El ajuste del regulador se hará siguiendo las pautas para

cualquier lazo de caudal. Se debe recordar que las respuestas del control de

combustible y del de aire deben ser lo más simultáneas posibles para evitar al

máximo las interacciones, por lo que finalmente el ajuste de alguno de estos lazos

puede ser inferior al óptimo.


175

Figura 5-63. Control del aire de combustión

Cuando la instalación usa ventiladores de tiro forzado e inducido, es aconsejable

usar la señal al elemento de control de caudal de aire como señal de anticipo

(feedforward) en el control de tiro.

En algunas instalaciones el control del caudal del aire se realiza no sólo mediante

el posicionamiento de los álabes de entrada al ventilador, sino que además éste

trabaja a velocidad variable a fin de optimizar el rendimiento.


176

En estos casos, la señal de demanda al elemento de control se debe caracterizar

de forma que los álabes regulan mientras el ventilador se mantiene a la mínima

velocidad, y una vez aquellos han alcanzado su apertura máxima se modula la

velocidad del ventilador (Figura 5-64).

Como en la parte final del recorrido de los álabes la variación del caudal apenas

será significativa, y a fin de mantener una respuesta lo más lineal posible, existirá

un solapamiento en el que se abrirán los álabes al tiempo que se aumenta la

velocidad del ventilador.

Figura 5-64. Control de rango partido turbina/álabes


177

Figura 5-65. Compensación automática del nº de ventiladores

En algunas instalaciones el aire de combustión es generado por dos ventiladores

trabajando en paralelo. En estos casos se debe considerar el posible fallo de uno

de los ventiladores.

Como ya hemos visto en diversas situaciones similares anteriormente, mediante

la inclusión de un regulador de compensación (Figura 5-65) se pueden solucionar

tanto los problemas de ganancia para diversas condiciones como las respuestas

ante fallos de los equipos.

En aquellas instalaciones en las que existe una regulación de los registros de aire

a los quemadores, la señal a éstos se obtiene de la demanda de salida al elemento

de control del caudal (Figura 5-66).


178

Figura 5-66. Control de los registros de aire de quemadores

La salida a los registros hay que acondicionarla de acuerdo con el número de

quemadores en servicio, pues la carga de cada uno de ellos dependerá de la carga

de caldera y del número de ellos en servicio.

Aunque la caracterización de las señales de combustible y aire se ajusten para

todo el rango de operación y se logre mantener una relación de combustible aire

satisfactoria, ésta por las propias restricciones del proceso nunca será la óptima

para mantener la combustión más eficiente posible si sólo se aplican los controles

explicados. Para mantener el exceso de aire mínimo necesario para una

combustión segura y eficaz, es necesario analizar los gases de la combustión y

usar el resultado de dicho análisis para la optimización del control de combustión.

La relación óptima entre aire y combustible viene marcada para cada combustible

por un porcentaje de exceso de oxígeno y de CO2.


179

Mientras el porcentaje en O2 es único y válido como un índice inequívoco de la

calidad de la combustión, el CO2 como se observa en la Figura 5-67 puede tener el

mismo valor en condiciones óptimas o inseguras, por lo que su uso como variable

de proceso principal se descarta y sólo se suele usar como variable secundaria.

Por otra parte, el índice de inquemados en la combustión queda definido por el CO

existente en los gases. El aumento del nivel de CO en los gases es indicativo de

que la combustión no es completa.

Figura 5-67. Relaciones O2, CO2, CO

Existen, en función de la variable utilizada, dos teorías básicas de control que se

usan con el análisis de los gases de combustión.

La primera de ellas usa el porcentaje de oxigeno como variable para corregir la

medida de aire. Para ello se utiliza un regulador PI simple como el de la Figura 5-

68 en el que la variable de proceso será la medida del analizador de O2. La

consigna vendrá dada a través de un generador de función que nos relaciona la

carga de la caldera con el exceso de oxígeno óptimo, puesto que dicho exceso va

disminuyendo con la carga como se muestra en la Figura 5-69. Esta relación debe

considerar la posible combustión mixta.


180

El ajuste del regulador debe tener una ganancia pequeña basada en la relación

existente entre un cambio en el exceso de aire y en el caudal de éste. La acción

integral será igualmente baja al ser la constante de tiempo grande, transcurren al

menos 20 o 30 segundos desde que se toma la acción hasta que se refleja en una

nueva medición. Debido a la fiabilidad de la medida y a las posibilidades de fallo

de los analizadores en comparación con los medidores de caudal, la salida del

regulador se utilizará como factor de multiplicación del caudal de aire sólo entre

unos límites de 0.85 a 1.15.

En la segunda variante la variable de proceso será la medida de CO en ppm y la

consigna ha venido dada tradicionalmente por el CO que se desea mantener.

Generalmente se ha aceptado que el CO permanece constante con la variación de

la carga y que manteniendo unos niveles en torno a 200 ppm se asegura una

combustión eficaz. Sin embargo, esta suposición no es cierta y al igual que en el

caso del O2 el CO deberían variar y probablemente incrementarse con la carga.

Por este motivo el control del CO sería igualmente realizado con

una configuración como la de la Figura 5-68.


181

Figura 5-68. Corrección del caudal de aire por O2

En algunas instalaciones, se opta por una corrección del caudal de aire mixta

basada tanto en la medida de O2 como en la de CO2 (Figura 5-70).

Figura 5-69. Exceso de oxígeno en función de la carga


182

Figura 5-70. Corrección del caudal de aire por O2 y CO

En este caso se usa un control en cascada en el que la variable primaria es el CO

cuya consigna se define en función de la carga. La salida de este controlador se

utiliza para corregir la consigna también en función de la carga del regulador de

O2.

Enclavamientos.

El control de combustión de una caldera está estrechamente ligado al sistema de

seguridades de la misma. Por este motivo, existen diversos enclavamientos

procedentes de éste que actúan sobre la configuración del control de combustión,

como son los siguientes:

- Los reguladores de control de caudal de combustible se forzarán a su posición de

encendido cuando no exista ningún quemador en servicio, de forma que la válvula

de control se encuentre en dicha posición cuando se va a realizar su encendido.

- El regulador de control de aire se fuerza a una posición determinada durante la

purga de la caldera, además de llevarse al 100% en el caso de pérdida de

ventiladores para efectuar la secuencia de tiro natural.


183

- En el caso de existir dos ventiladores, la salida individualizada se forzará a 0 %

cuando su correspondiente ventilador se encuentre fuera de servicio, a menos que

se produzca la pérdida total de ventiladores, en cuyo caso debe realizarse el tiro

natural, para lo cual se llevará como se ha dicho al 100%.

- Como se comentó anteriormente, el número de quemadores en servicio actuará

sobre la estación manual que fija la relación entre los combustibles de forma que

exista congruencia entre los quemadores en servicio y la relación pedida.

- Igualmente, el número de quemadores en servicio fijará los límites en la

demanda a sus respectivos reguladores en función de la carga máxima soportada

por cada quemador.

Por otra parte, como ya se comentó en el caso de que se usen equipos de

capacidad parcial la pérdida de éstos debe limitar la demanda de carga.

A fin de evitar relaciones de aire combustible no deseadas, los reguladores de

combustible han de permanecer en manual mientras el regulador de aire esté en

manual.

Para evitar la saturación en el control de O2, este lazo estará en manual mientras

lo esté el de caudal aire o bien se mantendrá en modo seguimiento.

5.7 Control del tiro en una caldera.

Objetivo.

El objetivo de este lazo es mantener la presión del hogar dentro de una estrecha

banda en torno al punto de consigna para asegurar una combustión satisfactoria

así como una operación segura.


184


En las calderas con ventiladores de tiro forzado e inducido, se ha de mantener un

tiro equilibrado de forma que la presión en el hogar se mantenga en torno 0. Para

ello, se actúa sobre el elemento de control en el ventilador de tiro inducido para

que provoque más o menos succión. La forma más simple de control sería la

representada en la Figura 5-71, en la cual la presión del hogar se utilizaría como

variable de proceso, siendo la consigna el valor de presión deseado.

Este tipo de control suele ser inadecuado en la mayoría de los casos. El caudal de

aire de combustión es manejado por la mayor o menor aportación del ventilador de

tiro forzado. Cada vez que el caudal de aire se modifica se produce un cambio en la

presión del hogar. Por otra parte, la presión del hogar es una variable sujeta a una

gran cantidad de ruido de proceso que en principio debería ajustarse con poca

ganancia e integral para minimizar el efecto de este ruido. Esto crea más

problemas en la respuesta ante cambios de carga, pues éstos conllevan

modificaciones en el caudal de aire.


185

Figura 5-71. Control de tiro

Para solucionar este último problema se suele usar un regulador con ganancia

variable, de forma que la ganancia sea pequeña cuando el error se mantiene

dentro de unos límites y se incremente sustancialmente cuando el error los

sobrepasa.

Adicionalmente, para solucionar la correcta respuesta ante cambios en el caudal

de aire, se utiliza la demanda al elemento de control de éste como índice de la

posición del ventilador de tiro inducido y corregido éste por el error en presión

(Figura 5-72).


186

Figura 5-72. Control de tiro con ganancia variable y feedforward

Este diseño permite que el controlador sea considerablemente lento sin reducir

la efectividad del lazo y reduciendo el efecto del ruido lo que genera mayor

estabilidad.

Puesto que ambos ventiladores trabajan en paralelo la interacción entre ellos se

reduce significativamente.

Como hemos visto en otros apartados, en el caso de que existan dos ventiladores

de tiro inducido, la salida de control debe ser partida de acuerdo con el peso de

cada uno de los equipos. Además el lazo debe estar preparado para situaciones de

fallo de uno de los equipos en cuanto a ganancia (Figura 5-73).


187

Figura 5-73. Compensación automática del Nº de ventiladores

Aunque el comportamiento de este diseño puede ser suficiente para mantener la

presión del hogar en el valor deseado, puesto que el mal funcionamiento de este

lazo puede conllevar serios riesgos de seguridad en cuanto a la integridad de la

caldera y de las personas, el estándar NFPA para calderas de más de un quemador

exige un diseño aún más complejo (Figura 5-74).

De acuerdo con este estándar el sistema debe incluir las siguientes características

y funciones:

- Tres transmisores de presión para minimizar la posibilidad de trabajar con una

medida de presión errónea.


188

- Una señal anticipativa que represente la demanda de aire. Esta señal podrá ser la

demanda de aire, caudal, de carga de caldera, pero en ningún caso el caudal de

aire (puesto que crearía problemas de interacción y realimentación positiva).

- Una acción de corrección que minimice las excursiones de presión tras la

estación auto/manual.

- Una acción de anticipación ante un disparo de caldera que minimice las

excursiones de presión tras la estación auto/manual.

- Cuando se usen ventiladores axiales, éstos deben operar de tal manera que se

eviten las condiciones de stall.


189

Figura 5-74. Requisitos de la NFPA 8502

Un posible diseño incluyendo estas necesidades sería el representado en la Figura

5-75. El sistema recibe las señales procedentes de tres transmisores diferentes y

ejecuta una votación dos de tres con sus medidas. Esta votación puede ser la

elección del medio (Figura 5-76), para lo cual se compararían dos a dos

seleccionándose el menor, y la salida de estas tres comparaciones se comparan de

nuevo seleccionándose en este caso el mayor. Otra posible forma de votación sería

hacer la media dos a dos y seleccionar posteriormente la mayor o la media (Figura

5-77). En este caso, la media dos a dos sólo será válida para la

comparación cuando no existe una desviación excesiva entre los transmisores. En

ambos casos se deben dar alarmas de desviación para cumplir con el requisito de

vigilancia de las variables.


190

La señal procedente de los transmisores se envía como variable de proceso al

regulador de ganancia variable cuya salida es corregida por las dos causas

exigidas. En el primer caso, cuando se produce un disparo de caldera MFT, el

hogar se enfría y se produce depresión. Para minimizar sus efectos, se ejecutará

una rampa desde el caudal de aire presente en ese momento hasta cero, que

corregirá la salida del regulador en el sentido necesario para reducir el tiro.

La segunda corrección debe hacerse cuando el error excede unos valores límites.

Esta corrección puede hacerse, bien corrigiendo la posición como se muestra, bien

limitando la apertura o cierre del elemento de control. En este caso mediante un

generador de función y basándose en el error el sistema genera una señal

correctora que actuará en sentido contrario al error.

Figura 5-75. Control de tiro incluyendo protección contra implosiones


191

Enclavamientos.

Además de los enclavamientos propios de la secuencia de arranque del ventilador

con relación a sus compuertas, cuando el control de hogar se pasa a manual, el

control de caudal de aire, oxígeno y combustible deben pasar a manual.

Figura 5-76. Selección del transmisor del medio


192

Figura 5-77. Votación dos de tres en transmisores

5.8 Control de combustión en calderas de recuperación.

Objetivo.

El objetivo del control de combustión en una caldera de recuperación es, como en

el caso de una caldera industrial, mantener el caudal de combustible de acuerdo

con la demanda de carga de la caldera, en el rango de trabajo de la

postcombustión para entregar al sistema la energía requerida para el suministro

del caudal de vapor deseado manteniendo el equilibrio energético.

También será el encargado de impedir que se superen los límites de la aportación

de calor. En el caso de las calderas de recuperación esto adquiere una gran

importancia. En muchas instalaciones el sistema de combustión se dimensiona

para trabajar en modo aire fresco y dar el 100 % de la producción, sin embargo al

trabajar en modo gases turbina la aportación del sistema de combustión debe ser


193

en gran parte limitada para no sobrepasar la entrada de calor máxima soportada

por la caldera.

Adicionalmente, en algunas de estas calderas existirá un control de posición del

diverter para mantener la presión del colector en el rango de trabajo sin

postcombustión.


En las calderas de recuperación de calor, por su especial modo de funcionamiento

y variedad de configuraciones, el control de la presión del colector difiere en gran

parte de lo visto hasta el momento. La principal variación reside en que el oxígeno

de la combustión se extrae, durante la operación normal de la caldera en modo

gases de turbina, en lugar del aire ambiente a través del ventilador, de los gases

de escape de la turbina de gas al ser éstos todavía ricos en él.

Otra variación inherente a este tipo de calderas es que la primera parte de la

producción se obtiene de los gases de escape de la turbina, y, normalmente, una

vez alcanzada la máxima producción con éstos, se incrementa mediante la

postcombustión.

Por otra parte, estas calderas si su aportación del vapor es de gran importancia

para la planta, pueden ir provistas de un ventilador de aire fresco que permite que

trabajen con la turbina de gas fuera de servicio.

Modo gases de turbina.

En este modo de operación para mantener la presión de vapor en el colector se

debe establecer un rango partido entre la demanda de fuego a los quemadores

(postcombustión) y la demanda necesaria para mantener dicha presión en el rango

de trabajo sin quemadores (sin postcombustión), como se muestra en la Figura 5-

78.


194

Figura 5-78. Rango partido de la demanda de carga

La demanda para el rango de sin postcombustión puede ser, o enviada al sistema

de control de la turbina de gas en orden a regular su carga para mantener la

presión de vapor deseada, o usada como demanda de posición del diverter entre

turbina y caldera, si éste existe, a fin de mantener la turbina de gas a plena carga.


195

Figura 5-79. Control del divertir

En el caso de que exista diverter y éste se use para modular, se puede usar un

control por posicionamiento sin realimentación o, si existe transmisor de posición

del diverter, un lazo PI simple como el que se indica en la (Figura 5-79). El

generador de función del rango partido hará lineal la demanda de vapor con la

posición del diverter en función del caudal de gases que dicha posición permite

pasar hacia la caldera.

El control de la carga de la caldera mediante el uso del diverter no es muy

recomendable al ser un control muy poco preciso y lento. Además, desde el punto

de vista de operación de la caldera puede ocasionar distribuciones del volumen de

gases no homogéneas que pueden motivar problemas de mala circulación por

calentamiento desigual.


196

Existen otras alternativas como la regulación de la turbina de gas, el uso de una

válvula de control en el venteo o en el bypass que son más adecuados, aunque

obviamente la decisión se tomará basándose en todas las particularidades de

cada planta.

Existen instalaciones en las que se necesita toda la capacidad de postcombustión

de la caldera incluso para cargas parciales de la turbina de gas. Si la caldera

acepta este modo de funcionamiento, pues la primera consecuencia de él es que el

volumen de gases de la turbina disminuye y, como consecuencia, ante la misma

aportación de calor por parte de los quemadores las temperaturas de gases

pueden exceder las permitidas, será necesario la modificación del rango partido

para adecuarlo a las nuevas necesidades. El generador de función de la demanda

de combustible (Figura 5-78) debe ser modificado en función de la carga de

turbina. Al reducirse la carga de ésta, la producción de vapor sin postcombustión

disminuirá y por tanto el ámbito de ésta debe ser modificado como se muestra en

la Figura 5-80. Normalmente en estas condiciones la producción total queda

limitada

Figura 5-80. Demanda de combustible en función de la carga de la TG


197

La demanda de combustible por su parte debe acondicionarse de acuerdo al

sistema de combustión implementado.

Existe una gran variedad de configuraciones posibles del sistema de combustión

en este tipo de calderas. De entre ellas y como más significativas se estudiarán los

siguientes casos:

a) Una medida de caudal y una válvula de control (uno o más quemadores).

b) Una medida de caudal y dos válvulas de control (uno o más quemadores por

válvula).

c) Dos medidas de caudal y dos válvulas de control (uno o más quemadores por

válvula).

a) Cuando la postcombustión se realiza mediante una válvula de control el control

de combustible se podrá diseñar con un lazo PI simple como el que se muestra en

la (Figura 5-81).


198

Figura 5-81. Control de combustible con una válvula de control

La demanda procedente del rango partido se utilizará de consigna del regulador

de caudal cuya variable de proceso es el caudal de combustible. En el caso de que

los quemadores excedan en capacidad la máxima permita en postcombustión,

dicha consigna debe quedar limitada a la máxima cantidad de combustible

aceptable para no exceder la aportación de calor en este modo de operación.

Igualmente, para mayor seguridad, se debe limitar la máxima salida del regulador

de caudal para que incluso en modo manual no se pueda exceder dicha aportación.

Por otra parte, la consigna del regulador debe ser también limitada por el número

de quemadores en servicio, de forma que la demanda no sobrepase nunca la

capacidad de fuego.


199

b) En instalaciones en las que la capacidad de la postcombustión es grande por

motivos de incrementar el rango de control suelen instalarse dos válvulas de

control. En estos casos, el lazo puede presentar distintas alternativas

dependiendo de la configuración de los quemadores.

Figura 5-82. Dos válvulas de control en rango partido

En algunas instalaciones los quemadores se diseñan sólo para el ámbito de la

postcombustión y su funcionamiento es secuencial, de forma que primero

enciende uno y cuando ha llegado a su máxima capacidad enciende el siguiente.


200

En estos casos, la salida del regulador de caudal se partirá y caracterizará de

acuerdo con la capacidad de cada válvula de control y el orden de encendido.

En la Figura 5-82 se muestra un ejemplo de esta caracterización para el caso en el

que las dos válvulas tengan distinta capacidad.

Sin embargo, en aquellas instalaciones en las que la necesidad del vapor es

crítica, el sistema suele contar con la posibilidad de funcionamiento en modo aire

fresco, cuya capacidad suele ser la misma que en modo gases de turbina. En este

caso, al ser los quemadores de más potencia, es más frecuente que cada una de

las válvulas de control tenga capacidad para toda la postcombustión y trabajen

indistintamente como se muestra en Figura 5-83. Al igual que en el caso anterior,

la demanda procedente del rango partido se utilizará de consigna del regulador.

Como los quemadores exceden en capacidad la máxima permita en

postcombustión dicha consigna debe quedar limitada, al igual que la máxima

salida de cada estación auto/manual. En esta última limitación se debe considerar

si sólo una o ambas válvulas de control están aportando combustible. La demanda

a cada válvula de control se limitará de acuerdo al número de quemadores en

servicio para no exceder la capacidad de aportación de calor.


201

Figura 5-83. Dos válvulas de control indistintamente

Como ya se ha visto en el caso de las calderas industriales, este método presenta

el problema de ganancia, de la respuesta ante disparos, etc... Para solucionar este

problema se incluirá un regulador de compensación como se ha visto ya

anteriormente (Figura 5-84).


202

Figura 5-84. Compensación automática para dos válvulas de control


203

c) Puede interesar por motivos de distribución de calor o por cualesquiera otros,

disponer de una medida de caudal independiente para cada válvula de control

para asegurar los caudales por los distintos quemadores o mantener una relación

entre ellos. La primera posibilidad sería sumar los dos caudales y, siendo la

variable de proceso del regulador la salida de dicho sumador, usar una

configuración igual a la indicada en la Figura 3-84. Una alternativa a este diseño

se muestra en la Figura 5-85. Como se ve las medidas de caudal se suman y la

salida del sumatorio se envía como variable de proceso de un regulador de

combustible total, que trabajará de forma análoga al de compensación del diseño

anterior, cuya consigna será la demanda de combustible tras ser limitada para la

postcombustión máxima. La salida de este regulador se enviará como consigna de

los dos reguladores de caudal individuales, tras limitarse de acuerdo con el

número de quemadores en servicio de cada una de las válvulas para no

sobrepasarse la capacidad de fuego. Al igual que en los casos anteriores las

salidas de los reguladores de caudal estarán limitadas para la máxima

postcombustión. En este caso el límite debe tener en cuenta si ambas válvulas

están aportando combustible o no.


204

Figura 5-85. Dos válvulas con realimentación independiente

Con este diseño, al igual que con el anterior, la pérdida de un quemador o la

manipulación en manual de una de las válvulas queda automáticamente

compensada, ahora mediante el regulador de caudal total.

Cuando lo que se requiere es mantener una relación entre los caudales de las dos

válvulas de control el diseño del lazo podría ser como el que se muestra en la

Figura 5-86.


205

Figura 5-86. Alternativa dos válvulas con realimentación independiente

Esta configuración es análoga a la vista en el control de combustible de las

calderas industriales. En ella, la señal de demanda de combustible tras ser

limitada para la máxima postcombustión, se divide en dos de acuerdo con la

relación deseada para ambas válvulas en la estación manual. Cada una de las

señales se envía como consigna de sus respectivos reguladores tras limitarse de

acuerdo con el número de quemadores en servicio de cada una de las válvulas. Las

salidas de los reguladores de caudal estarán, como ya se ha dicho, limitadas para

la máxima postcombustión admitida de forma que incluso en manual no se pueda

sobrepasar este límite. Esta última limitación debe considerar si son una o dos las

válvulas que aportan combustible.


206

Modo aire fresco.

En algunas instalaciones, la caldera va provista de un ventilador de aire fresco que

permite su operación aún en el caso de que la turbina de gas esté fuera de servicio.

Al ser este modo de operación sólo usado puntualmente ante problemas en la

turbina de gas, y por no existir un cajón de aire que asegure la correcta

distribución de éste para todas las cargas y evite problemas en la distribución del

calor, el ventilador de aire fresco no suele ir provisto de ningún tipo de

modulación, sino que suministra una cantidad de aire constante que asegura la

correcta combustión y distribución del calor. Esta aportación de aire sí suele ser

modificada durante el verano y el invierno por la influencia de la temperatura en el

caudal de aire.

Por otra parte, para poder suministrar todo la capacidad de vapor que tiene la

caldera en este modo de operación, los quemadores deben ser dimensionados

para tal circunstancia, lo que obviamente los sobredimensiona para el modo de

gases turbina, creando las particularidades de limitación en la demanda vistas en

el punto anterior.

Al ser entregada en este caso toda la aportación de calor por los quemadores la

demanda de carga a la caldera vista en la Figura 5-78 debe ser modificada para su

correcto funcionamiento en ambos modos de operación (Figura 5-87).


207

Figura 5-87. Demanda de caldera gases turbina-aire fresco

Mediante la inclusión de dos funciones de transferencia, que actúan de acuerdo

con los modos de operación, se consigue generar la señal adecuada de

combustible.

Enclavamientos.

Como ya se ha dicho, el control de combustión de una caldera está estrechamente

ligado al sistema de seguridades de la misma. Por este motivo existen diversos

enclavamientos procedentes de éste que actúan sobre la configuración del control

de combustión, como son los siguientes:

Los reguladores de control de caudal de combustible se forzarán a su posición de

encendido cuando no exista ningún quemador en servicio, de forma que la válvula

de control se encuentre en dicha posición cuando se va a realizar su encendido.

- El número de quemadores en servicio actuará sobre la estación manual que fija la

relación entre los combustibles, de forma que exista congruencia entre los

quemadores en servicio y la relación pedida.


208

- Igualmente, el número de quemadores en servicio fijará los límites en la

demanda a sus respectivos reguladores en función de la carga máxima soportada

por cada quemador.

- Las señales del modo de operación manipularán adecuadamente las funciones de

transferencia en la demanda de carga.

Por otra parte, cuando todas las estaciones auto/manuales están en manual, los

reguladores aguas arriba deben estar en modo seguimiento para que entren en

control en el momento del paso de una de ellas a automático.

De forma análoga, si los reguladores de caudal están en manual el regulador de

combustible total debe estar en modo seguimiento, o en manual si se prefiere.

Crit Training Seguridad y Control de Calderas Migasa

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